JP5258085B2 - Ｎｏｘセンサの合理性診断装置及び合理性診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Ｎｏｘセンサの合理性診断装置及び合理性診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置 Download PDF

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Description

本発明は、ＮＯXセンサの合理性診断装置（論理性診断装置）及びＮＯXセンサの合理性診断方法（論理性診断方法）、並びに内燃機関の排気浄化装置に関する。特に、アンモニアを用いてＮＯXの還元を行う還元触媒の下流側に備えられたＮＯXセンサの合理性診断（論理性診断）を行うＮＯXセンサの合理性診断装置及びＮＯXセンサの合理性診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置に関する。
ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を及ぼすおそれのある窒素酸化物（ＮＯX）が含まれている。従来、このＮＯXを浄化するために用いられる排気浄化装置の一態様として、排気通路中に選択還元触媒を配設し、この選択還元触媒中でアンモニアを用いてＮＯXの還元浄化を行うＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。このＳＣＲシステムは、アンモニアを生成可能な尿素溶液等の還元剤を選択還元触媒の上流側の排気通路中に供給し、生成されたアンモニアを選択還元触媒に吸着しておき、流入してくる排気ガス中のＮＯXを選択的に還元浄化するものである。
このＳＣＲシステムに用いられる選択還元触媒におけるアンモニアの飽和吸着量は、触媒温度によって変化する特性を有している。また、この選択還元触媒は、飽和吸着量に対する実際のアンモニアの吸着率が高いほど、ＮＯXの還元効率も高くなる特性を有している。一方、ＮＯXを還元するためのアンモニアはＮＯXよりも毒性が高く、還元反応に使用されずに大気中に放出されることはできる限り避けられるべきである。そのため、選択還元触媒の下流側にアンモニアが流出しないように、かつ、飽和吸着量に対する実吸着率ができる限り高くなるように、尿素溶液等の還元剤の供給量の制御が行われている。
また、ＳＣＲシステムにおいて、選択還元触媒の下流側にＮＯXセンサを配置して、選択還元触媒中で還元浄化されずに下流側に流出したＮＯX濃度が検出されるようにしたシステムがある。このようなＮＯXセンサを備えたＳＣＲシステムでは、ＮＯXセンサによって検出されるＮＯX濃度に応じて還元剤の供給量の補正を行ったり、検出されるＮＯX濃度をもとにしてＳＣＲシステム自体に異常を生じていないかの診断を行ったりしている。このように、選択還元触媒の下流側のＮＯXセンサによって検出されるＮＯX濃度を利用して還元剤の供給量の制御を行ったり、ＳＣＲシステムの故障診断を行ったりする場合には、ＮＯXセンサのセンサ値に合理性があることが前提となってくる。
ただし、ＮＯXセンサは劣化や固着等によって合理性が低下するおそれがあることから、排気浄化装置に用いられているＮＯXセンサの異常を判定するための装置が提案されている。具体的には、図６に示すフローを実施するためにＮＯX吸蔵触媒の適切な再生を行うべく、ＮＯXセンサの異常を判定するためのＮＯXセンサの異常判定装置であって、ＮＯX吸蔵触媒の排気下流側にＮＯXセンサを設け、ＮＯX吸蔵触媒中のＮＯXを放出させた状態を強制的に生じさせるＮＯX放出手段と、ＮＯX放出手段によりＮＯXが放出された状態でＮＯX吸蔵触媒の実際のＮＯX低減率を演算する実ＮＯX低減率設定手段と、エンジン運転状態に基づき、基準のＮＯX低減率を予め設定する基準ＮＯX低減率設定手段と、実際のＮＯX低減率と基準のＮＯX低減率とを比較し、ＮＯXセンサの異常を判定する異常判定手段とを備えたＮＯXセンサの異常判定装置が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００４−２７０４６８号公報 （特許請求の範囲）
しかしながら、特許文献１に記載されたＮＯXセンサの異常判定装置は、診断時において、内燃機関の運転状態を強制的に変化させてＮＯXを放出させ、ＮＯXセンサのセンサ値をもとにして演算される実際のＮＯX低減率が、予定されるＮＯX低減率の基準値に見合う値となっているかを判定することにより、ＮＯXセンサの合理性を判定するようになっている。すなわち、ＮＯXセンサの合理性を判定するためにあえて運転状態を変動させる必要があり、内燃機関の通常運転中に実施しようとすると、ドライバビリティ性に影響を与えたり、燃費を悪化させたりするおそれがある。そのため、ＮＯXセンサの合理性の判定を行う時期が制約を受けやすいという問題がある。
そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、ＮＯXセンサがその構成上アンモニアにも反応する特性に着目し、内燃機関の運転状態を強制的に変化させるのではなく、アンモニアの一部を選択還元触媒の下流側に流出させ、アンモニアの流出に追従してＮＯXセンサが反応を示しているかを判別することによってＮＯXセンサの合理性診断を行うことによりこのような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明の目的は、内燃機関の運転中であっても、ドライバビリティ性や燃費の悪化を伴わずに、所望の時期にＮＯXセンサの合理性診断を行うことができるＮＯXセンサの合理性診断装置及びＮＯXセンサの合理性診断方法、並びにそのようなＮＯXセンサの合理性診断装置を備えた排気浄化装置を提供することである。
本発明によれば、アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、還元触媒で排気中のＮＯXを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、還元触媒よりも下流側に配置されたＮＯXセンサの合理性診断を行うためのＮＯXセンサの合理性診断装置であって、ＮＯXセンサによって検出されるセンサ値の推移を監視するセンサ値記憶部と、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように還元剤の供給量を指示する還元剤供給量指示部と、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出したことに対応してセンサ値の推移が変化したか否かを判別してＮＯXセンサの合理性を判定する合理性判定部と、還元触媒に流入する排気中のＮＯXを浄化するために必要な浄化用アンモニア量を演算する浄化用アンモニア量演算部と、還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から現在吸着している実吸着量を減算して、アンモニアの吸着可能量を算出するアンモニア吸着可能量演算部と、を備え、還元剤供給量補正部は、吸着可能量及び浄化用アンモニア量に対応する還元剤量に所定量を加算して還元剤の供給量を設定することを特徴とするＮＯXセンサの合理性診断装置が提供され、上述した問題を解決することができる。
また、本発明のＮＯXセンサの合理性診断装置を構成するにあたり、合理性判定部は、還元触媒の下流側に流出したアンモニアの量に対応して変化したセンサ値の推移の平均値が所定の基準値を超えたか否かを判別することが好ましい。
また、本発明のＮＯXセンサの合理性診断装置を構成するにあたり、合理性判定部は、センサ値の推移の振幅の最大値が還元触媒の下流側に流出したアンモニアの量に応じた値を示したか否かを判別することが好ましい。
また、本発明の別の態様は、アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、排気中のＮＯXをアンモニアを用いて還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、還元触媒よりも下流側に配置されたＮＯXセンサの合理性診断を行うＮＯXセンサの合理性診断方法であって、ＮＯXセンサによって検出されるセンサ値の推移を監視するとともに、還元触媒に流入する前記排気中のＮＯXを浄化するために必要な浄化用アンモニア量を演算し、かつ還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から現在吸着している実吸着量を減算してアンモニアの吸着可能量を算出した後、吸着可能量及び浄化用アンモニア量に対応する還元剤量に所定量を加算することにより設定された還元剤の供給量に基づいて、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように還元剤を供給し、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出したことに対応してセンサ値の推移が変化したか否かを判別してＮＯXセンサの合理性を判定することを特徴とするＮＯXセンサの合理性診断方法である。
また、本発明のさらに別の態様は、上述したいずれかのＮＯXセンサの合理性診断装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。
本発明のＮＯXセンサの合理性診断装置及びＮＯXセンサの合理性診断方法によれば、ＮＯXセンサがアンモニアにも反応する特性を利用して、ＮＯXセンサが配置された還元触媒の下流側に所定量のアンモニアが流出するように還元剤を供給してＮＯXセンサの合理性を診断するようにしたため、内燃機関の運転状態にかかわらず、所望の時期にＮＯXセンサの合理性診断を行うことができる。したがって、診断の時期が制約を受けることがなくなるとともに、ドライバビリティや燃費の低下を防ぐことができる。
また、本発明のＮＯXセンサの合理性診断装置において、請求項３や請求項４に記載されたように、アンモニアの還元触媒の下流側への流出に対応するセンサ値の推移の平均値や振幅の最大値を所定の基準値と比較して合理性の判定を行うことにより、診断結果の精度を向上させることができる。
また、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の運転状態にかかわらず所望の時期にＮＯXセンサの合理性の診断が行われる合理性診断装置を備えているために、還元剤の供給量制御や排気浄化装置の故障診断を適確に行うことができる排気浄化装置が提供される。
以下、図面を参照して、本発明のＮＯXセンサの合理性診断装置及び合理性診断方法並びに排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。
１．排気浄化装置
まず、ＮＯXセンサの合理性診断装置（以下、単に「合理性診断装置」と称する場合がある。）が備えられた本実施形態の排気浄化装置の構成について図１を参照しつつ説明する。
図１に示す排気浄化装置１０は、還元剤としての尿素水溶液を、排気通路中に配設された還元触媒１３の上流側に噴射供給し、還元触媒１３において排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元浄化する排気浄化装置１０である。この排気浄化装置１０は、内燃機関５に接続された排気管１１の途中に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯXを選択的に還元するための還元触媒１３と、還元触媒１３の上流側で排気管１１内に尿素水溶液を噴射供給するための還元剤噴射弁３１を含む還元剤供給装置２０とを主たる要素として構成されている。また、排気管１１の還元触媒１３の上流側及び下流側にはそれぞれ温度センサ１５、１６が配置されるとともに、還元触媒１３の下流側にはＮＯXセンサ１７及び酸化触媒１２が配置されている。
これらの排気浄化装置１０の基本的な構成は従来公知の構成であり、各構成要素はそれぞれ公知のものを使用することができる。
このうち還元剤供給装置２０は、還元触媒１３の上流側で排気管１１に固定された還元剤噴射弁３１と、還元剤が貯蔵された貯蔵タンク５０と、貯蔵タンク５０内の還元剤を還元剤噴射弁３１に対して圧送するポンプ４１を含むポンプモジュール４０と、排気管１１内に噴射供給する還元剤の噴射量を制御するために、還元剤噴射弁３１やポンプ４１の制御を行う制御装置（以下、「ＤＣＵ：Dosing Control Unit」と称する。）６０を備えている。また、ポンプモジュール４０と還元剤噴射弁３１とは第１の供給通路５８によって接続され、貯蔵タンク５０とポンプモジュール４０とは第２の供給通路５７によって接続され、さらに、ポンプモジュール４０と貯蔵タンク５０とは循環通路５９によって接続されている。
また、図１に示す排気浄化装置１０の例では、ＤＣＵ６０は、ＣＡＮ６５に接続されている。このＣＡＮ６５には、内燃機関の運転状態を制御するためのコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ：Engine Control Unit」と称する場合がある。）７０が接続されており、燃料噴射量や噴射タイミング、回転数等をはじめとする内燃機関の運転状態に関する情報が書き込まれるようになっているだけでなく、排気浄化装置１０に備えられたあらゆるセンサ等の情報も書き込まれるようになっている。また、ＣＡＮ６５では入力される信号値がＣＡＮ６５の規格範囲内にあるか否かを判別できるようになっている。そして、ＣＡＮ６５に接続されたＤＣＵ６０は、ＣＡＮ６５上の情報を読み込み、また、ＣＡＮ６５上に情報を出力できるようになっている。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とが別のコントロールユニットからなり、ＣＡＮ６５を介して情報のやり取りができるようにされているが、これらのＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とを一つのコントロールユニットとして構成しても構わない。
また、還元剤噴射弁３１としては、例えば、デューティ制御により開弁のＯＮ−ＯＦＦが制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁を使用することができる。ポンプモジュール４０から還元剤噴射弁３１に圧送される尿素水溶液は所定の圧力で維持されるようになっており、還元剤噴射弁操作装置（図１では「Udv操作装置」と表記）６７から送られてくる制御信号によって還元剤噴射弁３１が開かれたときに還元剤が排気通路中に噴射されるようになっている。
また、ポンプモジュール４０にはポンプ４１が備えられ、第２の供給通路５７を介して貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を汲み上げるとともに、第１の供給通路５８を介して還元剤噴射弁３１に圧送するようになっている。このポンプ４１は、例えば電動式のダイヤフラムポンプやギアポンプからなり、ＤＣＵ６０から送られてくる信号によってデューティ制御されるようにすることができる。また、第１の供給通路５８には圧力センサ４３が備えられており、圧力センサ４３によって検知された値は信号としてＤＣＵ６０に出力され、第１の供給通路５８内の圧力値が所定値に維持されるようにポンプ４１の駆動デューティが制御されるようになっている。すなわち、第１の供給通路５８内の圧力が所定値よりも低下するような状態においては、ポンプ４１の駆動デューティは大きくなるように制御され、第１の供給通路５８内の圧力が所定値よりも上昇するような状態においては、ポンプ４１の駆動デューティは小さくなるように制御される。
なお、「ポンプの駆動デューティ」とは、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御において、１周期当たりに占めるポンプの駆動時間の割合を意味している。
また、第１の供給通路５８にはメインフィルタ４７が備えられ、還元剤噴射弁３１に圧送される還元剤中の異物が捕集されるようになっている。また、ポンプ４１とメインフィルタ４７との間の第１の供給通路５８から循環通路５９が分岐して設けられ、貯蔵タンク５０に接続されている。この循環通路５９の途中にはオリフィス４５が備えられるとともに、オリフィス４５よりも貯蔵タンク５０側に圧力制御弁４９が備えられている。このような循環通路５９を備えることにより、圧力センサ４３のセンサ値をもとにフィードバック制御されるポンプ４１によって還元剤が圧送される状態で、第１の供給通路５８内の圧力値が所定値を超えた場合に、圧力制御弁４９が開弁し、還元剤の一部が貯蔵タンク５０内に還流されるようになっている。圧力制御弁４９は、例えば、公知のチェック弁等を使用することができる。
また、ポンプモジュール４０にはリバーティングバルブ７１が備えられ、還元剤供給装置２０が還元剤の噴射制御を行わない場合等において、ポンプモジュール４０や還元剤噴射弁３１、第１の供給通路５８、第２の供給通路５７等を含む還元剤供給系の還元剤が貯蔵タンク５０に回収できるようになっている。したがって、冷寒時等、還元剤が凍結しやすい温度条件下において、内燃機関５を停止させ、還元剤供給装置２０の制御を行わないような場合に、還元剤供給系内での還元剤の凍結が防止され、その後内燃機関の運転を再開したときに、詰まりによる噴射不良がないようにされている。
このリバーティングバルブ７１は、例えば、還元剤の流路を、貯蔵タンク５０からポンプモジュール４０へ向かう順方向から、ポンプモジュール４０から貯蔵タンク５０へ向かう逆方向に切り替える機能を持った切換弁であり、内燃機関のイグニッションスイッチをオフにしたときに、流路を逆方向に切り換えてポンプ４１を駆動することにより還元剤を貯蔵タンク５０内に回収することができる。
また、還元剤供給装置２０の還元剤供給系の各部位にはそれぞれヒーター９２〜９７が備えられている。これらのヒーター９２〜９７は、冷寒時等において還元剤が還元剤供給系内に存在する場合に、還元剤が凍結して部分的に又は完全に還元剤供給系を塞いでしまい、還元剤噴射弁３１による還元剤の噴射制御を正確に行えなくなることを防ぐために備えられている。また、これらのヒーター９２〜９７は、ＤＣＵ６０に備えられたヒーティング制御部（図示せず。）によって通電が制御されるようになっている。例えば、還元剤の温度や外気温度等をもとにして、還元剤供給系で還元剤が凍結を生じるような温度条件下にあると判断されたときに、バッテリーから電圧が供給され、加熱されるようになっている。
これらのヒーター９２〜９７についても、特に制限されるものではなく、例えば、電熱線等を使用することができる。
なお、上述した還元剤供給装置２０は、還元剤噴射弁３１による噴霧によって還元剤を微粒化して排気通路内に供給するものであるが、これ以外にも、還元剤を高圧エアによって微粒化しつつ、ノズルを介して排気通路内に供給するエアアシスト式の還元剤供給装置であっても構わない。
また、還元触媒１３の下流側に配置された酸化触媒１２は、添加された還元剤が還元触媒１３に吸着されずに下流側に流出した場合に、その成分であるアンモニアがそのまま大気中に放出されないように、アンモニアを酸化させるために備えられている。アンモニアは、酸化触媒１２で、相対的に毒性の低いＮＯXと水とに分解されて放出される。
本実施形態の排気浄化装置１０には、この酸化触媒１２が備えられているために、後述するＮＯXセンサの合理性診断を行う際に意図的に還元触媒の下流側に流出させる少量のアンモニアは酸化されるため、そのまま大気中に放出されるおそれがないようになっている。
また、還元触媒１３の下流側に配置されたＮＯXセンサ１７は、還元触媒１３で還元されずに下流側に流出したＮＯX濃度を検出するために用いられる。このＮＯXセンサ１７によって検出されるセンサ値はＤＣＵ６０に送られ、ＤＣＵ６０では、この値を基にして還元剤の噴射量制御を行うようになっている。したがって、ＮＯXセンサ１７のセンサ値はＮＯXの浄化効率にも影響するため、ＮＯXセンサ１７の合理性が重要になってくる。
このＮＯXセンサ１７は、ＮＯXだけでなく、還元剤としての尿素水溶液が加水分解を生じて生成されるアンモニアにも反応することが知られており、後述する本実施形態の合理性診断装置では、ＮＯXセンサ１７がアンモニアにも反応する特性を利用して、ＮＯXセンサ１７の合理性の診断が行われるように構成されている。なお、通常の還元剤の噴射制御においては、アンモニアが還元触媒１３の下流側に流出しないように還元剤の噴射量が制御されるため、ＮＯXセンサ１７のセンサ値がＮＯX濃度を示しているものとして還元剤の噴射制御が行われる。
２．還元剤供給装置の制御装置（ＮＯXセンサの合理性診断装置）
（１）基本的構成
図１に示す排気浄化装置１０に備えられたＤＣＵ６０は、基本的には、適切な量の還元剤が排気通路１１中に噴射されるように、ＣＡＮ６５上に存在する様々な情報をもとにポンプ４１及び還元剤噴射弁３１の動作制御が行われるようになっている。また、本発明の実施の形態におけるＤＣＵ６０は、さらにＮＯXセンサ１７の合理性診断装置としての機能を備えている。
このＤＣＵ６０は、公知の構成からなるマイクロコンピュータを中心に構成されており、還元剤噴射弁３１の動作制御及びポンプ４１の駆動制御、さらにＮＯXセンサ１７の合理性診断に関する部分について、機能的なブロックに表された構成例が示されている。ＤＣＵ６０は、ＣＡＮ情報取出生成部（図１では「CAN情報取出生成」と表記。）と、ポンプ駆動制御部（図１では「ポンプ駆動制御」と表記。）と、還元剤噴射量指示部（図１では「Udv動作制御」と表記。）と、合理性診断部（図１では「合理性診断」と表記。）等を主要な構成要素として構成されている。そして、これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプラグラムの実行によって実現されるものである。
このうち、ＣＡＮ情報取出生成部は、ＥＣＵから出力されたエンジンの運転状態に関する情報やＮＯXセンサから出力されたセンサ値をはじめとして、ＣＡＮ６５上に存在する情報を読み込み、各部に対して出力するようになっている。
また、ポンプ駆動制御部は、ＣＡＮ情報取出生成部から出力される、第１の供給経路５８内の還元剤の圧力に関する情報を継続的に読み込み、この圧力情報をもとにポンプ４１をフィードバック制御し、第１の供給経路５８内の圧力がほぼ一定の状態に維持されるようになっている。例えば、ポンプ４１が電動式のポンプである場合には、出力される圧力値が目標値よりも低い場合には、圧力を上昇させるべく、電動式のポンプのデューティ比が大きくなるように制御され、逆に、出力される圧力値が目標値を超える場合には、圧力を低下させるべく、電動式のポンプのデューティ比が小さくなるように制御される。
還元剤噴射量指示部は、ＣＡＮ情報取出生成部から出力される、貯蔵タンク５０内の還元剤に関する情報や排気ガス温度、還元触媒温度、還元触媒下流側でのＮＯX濃度に関する情報、さらにはエンジンの運転状態に関する情報等を読み込み、排気ガスに含まれるＮＯXを還元するために必要な量のアンモニアが生成されるように還元剤の噴射量を算出し、還元剤噴射弁３１を操作するための還元剤噴射弁操作装置６７に対して出力するように構成されている。
（２）還元剤噴射制御
図１に示す排気浄化装置１０による排気ガス中のＮＯXの還元浄化は以下のように行われる。
内燃機関の運転時において、貯蔵タンク５０内の還元剤は、ポンプ４１によって汲み上げられ、還元剤噴射弁３１に向けて圧送される。このとき、ポンプモジュール４０に備えられたポンプ４１の下流側の圧力センサ４３のセンサ値をフィードバックし、センサ値が所定値未満の場合にはポンプ４１の出力を高める一方、圧力値が所定値を超える場合には圧力制御弁４９によって減圧される。これによって、還元剤噴射弁３１に向けて圧送される還元剤の圧力がほぼ一定の値に維持されるように制御される。
還元剤がほぼ一定の圧力で供給された状態で、ＤＣＵ６０は、内燃機関の運転状態や排気温度、還元触媒１３の温度、さらには還元触媒１３の下流側で測定される、還元されずに還元触媒１３の下流側に流出したＮＯX濃度等の情報をもとに噴射すべき還元剤の噴射指示値を決定し、それに応じた制御信号を生成して還元剤噴射弁操作装置６７に対して出力する。そして、還元剤噴射弁操作装置６７によって還元剤噴射弁３１のデューティ制御が行われ、適切な量の還元剤が排気管１１中に噴射される。排気管１１中に噴射された還元剤は、排気ガスに混合された状態で還元触媒１３に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯXの還元反応に用いられる。このようにして、排気ガスの浄化が行われるものである。
（３）ＮＯXセンサの合理性診断部
ここで、本実施形態のＤＣＵ６０にはＮＯXセンサの合理性診断部が備えられている。合理性診断部は、内燃機関５の運転状態にかかわらず、また、内燃機関５の運転状態を強制的に変化させることなく、ＮＯXセンサ１７が正確に応答しているか否かを診断するように構成されたものである。
図２は、ＤＣＵ６０の構成のうちのＮＯXセンサの合理性診断部の構成をさらに詳細に表している。この合理性診断部は、センサ値記憶部（図２では「センサ値記憶」と表記。）と、還元剤噴射量補正部（図２では「Ud噴射量補正」と表記。）と、合理性判定部（図２では「合理性判定」と表記。）とから構成されている。これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプログラムの実行によって実現されるものである。
このうち、センサ値記憶部は、ＣＡＮ情報取出生成部から出力される、ＮＯXセンサのセンサ値の推移を監視する部分であり、図示しないＲＡＭ（Random Access Memory）に接続され、ＮＯXセンサのセンサ値の推移が記憶されるようになっている。
また、還元剤噴射量補正部は、ＮＯXセンサの合理性診断を行う場合に、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように還元剤の供給量を増量指示する部分であり、還元触媒に流入する排気中のＮＯXを浄化するために必要な浄化用アンモニア量を演算する浄化用アンモニア量演算部（図２では「浄化用Amn演算」と表記。）と、還元触媒にさらに吸着可能なアンモニアの量を算出するアンモニア吸着可能量演算部（図２では「吸着Amn演算」と表記。）とを含み、浄化用アンモニア量及びアンモニア吸着可能量の合計量にさらに所定量を加算した量のアンモニアが生成される還元剤量を算出して、還元剤噴射弁操作装置６７に対して信号を送るようになっている。すなわち、ＮＯXセンサがアンモニアも検知する特性を利用して、意図的に所定量のアンモニアを還元触媒の下流側に流出させて、ＮＯXセンサの反応を見るようにしたものである。
また、合理性判定部では、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出したことに対応してセンサ値の推移が変化を示しているか否かを判別することによりＮＯXセンサの合理性を判定するようになっている。本実施形態の合理性判定部では、所定量のアンモニアを還元触媒の下流側に流出させた期間内でのＮＯXセンサのセンサ値の平均値を判定するピークチェックと、所定量のアンモニアを還元触媒の下流側に流出させた期間内でのＮＯXセンサのセンサ値の振幅の最大値を判定するスタックチェックとが行われるように構成されている。
すなわち、本発明の合理性診断装置は、ＮＯXセンサの合理性診断を行うために、強制的に運転状態を変化させ排出するＮＯX流量を増加させて診断モードを作るのではなく、排気中のＮＯXの還元浄化を行うための還元剤としての尿素水溶液を余分に供給し、生成されるアンモニアを所定量還元触媒の下流側に流出させることにより、流出するアンモニアに反応してＮＯXセンサが応答しているかを判定するものである。
３．合理性診断方法
（１）診断方法の具体例
次に、本実施形態の合理性診断装置において、還元触媒の下流側に流出したアンモニアに反応してＮＯXセンサのセンサ値が応答するかを確認し、ＮＯXセンサの合理性を判定する点について、図３に例示されるタイミングチャートを参照して詳細に説明する。
排気中のＮＯXの還元浄化を行うべく、通常の還元剤の噴射制御を行っている状態において、所定量のアンモニアが所定時間還元触媒の下流側に流出するように、還元剤噴射量補正部によって還元剤の噴射指示値を増量補正し、還元剤噴射弁の動作制御を行う。図３のタイミングチャートの例では、t1からt2の期間に、２０ｐｐｍのアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように、還元剤の噴射指示値が増量補正されている。
このとき、ＲＡＭに継続的に記憶されるＮＯXセンサのセンサ値Ndを継続的に読み出し、センサ値Ndの推移を監視しておく。すると、還元剤の噴射量が増量されたことに対応して、ＮＯXセンサのセンサ値Ndに変化が現れる。
ピークチェックでは、このセンサ値Ndの推移におけるセンサ値上昇開始の変化点とセンサ値下降後の変化点との間での平均値Ndpと、所定のピーク基準値Ndp0との差が、所定の範囲内にあるか否かが判別される。このピーク基準値Ndp0は、例えば、あらかじめ実験によって求められた値であってもよいし、あるいは、還元触媒の温度や還元剤噴射量等を考慮して算出される値であってもよい。また、ピークチェックは、センサ値そのものを利用して行うこともでき、あるいは、センサ値をオフセット（センサ値上昇開始時の値をゼロとして設定）した値を利用して行うこともできる。
また、スタックチェックでは、センサ値上昇開始の変化点とセンサ値下降後の変化点との間における振幅の最大値Ndmが、所定のスタック基準値Ndm0以上となっているか否かが判別される。このスタック基準値Ndm0は、例えば、あらかじめ実験によって求められた値であってもよいし、あるいは、還元触媒の温度や還元剤噴射量等を考慮して算出される値であってもよい。
センサ値Ndの平均値Ndpとピーク基準値Ndp0との差が所定範囲内にあり、かつ、センサ値Ndの振幅の最大値Ndmがスタック基準値Ndm0以上となっていれば、ＮＯXセンサの合理性があるものと判定される。
（２）合理性診断のフロー
次に、ＮＯXセンサの合理性診断方法の具体的なルーチンの一例を図４〜図６のフローチャートを参照しつつ説明する。なお、このルーチンは、常時実行されるようにしてもよく、あるいは一定時間ごとの割り込みによって実行されるようにしてもよい。
まず、ステップＳ１０において、還元触媒の上流側及び下流側に配置された温度センサのセンサ値から推定される還元触媒の温度から還元触媒の飽和吸着量を求めるとともに、現在還元触媒に吸着されている実吸着量を減算して、アンモニア吸着可能量を算出する。
次いで、ステップＳ１１において、還元触媒上流側のＮＯX濃度を求める。本実施形態の排気浄化装置の例では、エンジン状態に基づく演算によってこのＮＯX濃度が推定されるようになっている。還元触媒上流側のＮＯX濃度が求められた後、ステップＳ１２において、還元触媒に流入するＮＯXの還元反応に消費される浄化用アンモニア量を算出する。
浄化用アンモニア量とアンモニア吸着可能量とを算出した後、ステップＳ１３では、さらに所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように、還元剤の噴射指示値を決定する。
すなわち、ステップ１０において、還元触媒に吸着されているアンモニアが飽和状態となっており、かつ、ステップＳ１１において、還元触媒上流側のＮＯX濃度がゼロのときには、ステップＳ１３では、還元触媒の下流側に流出させたい量のアンモニアが生成されるだけの還元剤が噴射されるように指示値を決定すればよい。逆に、ステップＳ１０において、還元触媒に吸着されているアンモニアが飽和状態になく、または、ステップＳ１１において、還元触媒上流側のＮＯXが検知される場合には、ステップＳ１３では、それぞれに必要なアンモニア量に対して、還元触媒の下流側に流出させたいアンモニア量を加算して、それに見合った還元剤の噴射指示値を決定すればよい。
ただし、ＮＯXセンサの合理性診断の信頼性を高めるためには、所定量のアンモニアを正確に還元触媒の下流側に流出させることが好ましい。したがって、ステップＳ１０〜ステップ１３までの行程を行うにあたり、図５に示すように、還元触媒に吸着可能なアンモニア量が所定値以下であるか否かを判別するステップＳ１０´と、還元触媒上流側のＮＯX濃度が所定値以下であるか否かを判別するステップＳ１１´とを実施するとともに、還元触媒上流側の排気温度が大きく振動することなく安定的に推移しているか否かを判別するステップＳ１２´を実施することが好ましい。
ステップＳ１３で還元剤の噴射指示値が決定されると、ステップＳ１４において、還元剤噴射弁を介して排気管内に還元剤を供給する。すると、還元剤が加水分解を生じてアンモニアが生成され、一部のアンモニアが還元触媒に流入するＮＯXの還元に消費され、別の一部のアンモニアが還元触媒に吸着されるとともに、余剰となった所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するため、ステップＳ１５において、ＮＯXセンサの合理性診断を行うためのピークチェック及びスタックチェックを実施する。ピークチェック及びスタックチェックの詳細な実施内容については上述したとおりであるため、ここでの説明は省略する。
ピークチェック及びスタックチェックが終了すると、ステップＳ１６においてＮＯXセンサの合理性の判定が行われる。このステップＳ１６では、ピークチェック及びスタックチェックがともにＯＫとなっていればＮＯXセンサの合理性ありと判定される。一方、ピークチェック又はスタックチェックのいずれか一方がＮＧとなっていればＮＯXセンサの合理性なしと判定される。
以上説明した本実施形態のＮＯXセンサの合理性診断装置によれば、アンモニアも検知するＮＯXセンサの特性を利用して、ＮＯXセンサの合理性診断を行う際に、意図的に所定量のアンモニアを還元触媒の下流側に流出させてＮＯXセンサの反応を見るようにしているため、内燃機関の運転状態に影響を与えることがなく、燃費やドライバビリティを低下させることなくＮＯXセンサの合理性診断を行うことができる。
本発明の実施の形態にかかる排気浄化装置の構成例を示す図である。 ＮＯXセンサの合理性診断部を備えた還元剤供給装置制御装置（ＤＣＵ）の構成例を示すブロック図である。 ＮＯXセンサの合理性判定の具体例を説明するための図である。 ＮＯXセンサの合理性診断方法の一例を説明するためのフローチャートである。 ＮＯXセンサの合理性診断方法の別の例を説明するためのフローチャートである。 従来のＮＯXセンサの異常判定方法を説明するための図である。
符号の説明
１０：排気浄化装置、１１：排気管、１３：還元触媒、１５・１６：温度センサ、１７：ＮＯXセンサ、２０：還元剤供給装置、３１：還元剤噴射弁、３３・３５：温度センサ、４０：ポンプモジュール、４１：ポンプ、４３：圧力センサ、４５：オリフィス、４７：メインフィルタ、４９：圧力制御弁、５０：貯蔵タンク、５７：第２の供給通路、５８：第１の供給通路、５９：循環経路、６０：還元剤供給装置制御装置（ＮＯXセンサの合理性診断装置）、７１：リバーティングバルブ、９２・９３・９４・９５・９６・９７：ヒーター

Claims (5)

  1. アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、前記還元触媒で排気中のＮＯXを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、前記還元触媒の下流側に配置されたＮＯXセンサの論理性診断を行うためのＮＯXセンサの論理性診断装置において、
    前記ＮＯXセンサによって検出されるセンサ値の推移を監視するセンサ値記憶部と、
    所定量の前記アンモニアが前記還元触媒の下流側に流出するように前記還元剤の供給量を補正する還元剤供給量補正部と、
    前記所定量のアンモニアが前記還元触媒の下流側に流出したことに対応して前記センサ値の推移が変化したか否かを判別してＮＯXセンサの論理性を判定する論理性判定部と、
    前記還元触媒に流入する前記排気中のＮＯXを浄化するために必要な浄化用アンモニア量を演算する浄化用アンモニア量演算部と、
    前記還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から現在吸着している実吸着量を減算して、前記アンモニアの吸着可能量を算出するアンモニア吸着可能量演算部と、を備え、
    前記還元剤供給量補正部は、前記吸着可能量及び前記浄化用アンモニア量に対応する還元剤量に所定量を加算して前記還元剤の供給量を設定することを特徴とするＮＯXセンサの論理性診断装置。
  2. 前記論理性判定部は、前記還元触媒の下流側に流出した前記アンモニアの量に対応して変化した前記センサ値の推移の平均値が所定の基準値を超えたか否かを判別することを特徴とする請求項１に記載のＮＯXセンサの論理性診断装置。
  3. 前記論理性判定部は、前記センサ値の推移の振幅の最大値が前記還元触媒の下流側に流出した前記アンモニアの量に応じた値を示したか否かを判別することを特徴とする請求項１〜２のいずれか一項に記載のＮＯXセンサの論理性診断装置。
  4. アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、排気中のＮＯXを前記アンモニアを用いて還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、前記還元触媒の下流側に配置されたＮＯXセンサの論理性診断を行うＮＯXセンサの論理性診断方法において、
    前記ＮＯXセンサによって検出されるセンサ値の推移を監視するとともに、前記還元触媒に流入する前記排気中のＮＯXを浄化するために必要な浄化用アンモニア量を演算し、かつ前記還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から現在吸着している実吸着量を減算して前記アンモニアの吸着可能量を算出した後、前記吸着可能量及び前記浄化用アンモニア量に対応する還元剤量に所定量を加算することにより設定された前記還元剤の供給量に基づいて、所定量の前記アンモニアが前記還元触媒の下流側に流出するように前記還元剤を供給し、
    前記所定量のアンモニアが前記還元触媒の下流側に流出したことに対応して前記センサ値の推移が変化したか否かを判別してＮＯXセンサの論理性を判定することを特徴とするＮＯXセンサの論理性診断方法。
  5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のＮＯXセンサの論理性診断装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
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