JP5915111B2 - ＮＯｘセンサの異常診断方法、ＮＯｘセンサの異常診断システム、及び内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法 - Google Patents

Description

本発明は、多大な実験工数を掛けることなく、また、連続してＮＯｘセンサの異常を診断できるＮＯｘセンサの異常診断方法、ＮＯｘセンサの異常診断システム、及び内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法に関する。

トラックやバス等の車両においては、この車両に搭載された内燃機関から排出されるＮＯｘ（窒素酸化物）の量を減少するために排気ガス浄化処理装置を用いて窒素（Ｎ₂）に還元して大気中に放出するようにしている。このＮＯｘ浄化を効率良く行うためには排気ガス中のＮＯｘ濃度及びＮＯｘ量を正確に測定する必要があり、そのために、ＮＯｘセンサが使用されている。

このＮＯｘセンサの検出値に基づいて、排気ガス中のＮＯｘを還元するのに必要な尿素等の還元剤を供給しているため、このＮＯｘセンサが正常状態であるか、故障等の異常状態であるかが重要となる。万一、ＮＯｘセンサが異常であると、還元剤の供給量を適正な量にすることができず、還元剤が不十分の場合には、排気ガス中のＮＯｘの還元浄化が不十分になった大気中に基準以上のＮＯｘが放出されてしまい、還元剤が過剰の場合には、ＮＯｘの還元で消費されなかった還元剤が大気中に放出され、還元剤が無駄に消費されることになる。

そのため、ＮＯｘセンサの異常診断が重要であり、例えば、排出ＮＯｘ流量演算記憶手段と検出ＮＯｘ濃度記憶手段を備えて、排出ＮＯｘ流量の経時変化の基準としての基準パターンと、ＮＯｘセンサによって検出される検出ＮＯｘ濃度の経時変化の基準としての追従パターンを規定して、内燃機関が通常運転モードにある場合に排出ＮＯｘ流量が基準パターンに対して所定の関係をもって推移したときに、検出ＮＯｘ濃度が追従パターンに対して所定の関係をもって推移したか否かを判別することによって、ＮＯｘセンサの応答性を判定する故障判定手段を備えたＮＯｘセンサの故障診断装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

このＮＯｘセンサの診断方法では、予め内燃機関から排出されるＮＯｘ流量の経時変化の基準としての基準パターンと、ＮＯｘセンサによって検出される検出ＮＯｘ濃度の経時変化の基準としての追従パターンを予め設定する必要があるが、排出されるＮＯｘの流量は内燃機関の運転状態等の環境条件により大きく変化するため、基準パターンを多数設定する必要があり、多大な工数がかかってしまうという問題がある。

一方、還元触媒の上流側でのＮＯｘ量を算出する上流側ＮＯｘ量演算部とＮＯｘセンサ値検出部と、上流側でのＮＯｘ量の推移に現れたピークに対してＮＯｘセンサが応答しているか否かを判定することによりＮＯｘセンサの合理性を判定する合理性判定部と、内燃機関から排出される排気ガス量を算出する排気ガス量演算部とを備え、合理性診断部は、排気ガス量に応じてピークの発生を認識してＮＯｘセンサの合理性を判断するＮＯｘセンサの合理性診断装置（例えば、特許文献２参照）や内燃機関が予め設定された基準稼働条件になったとき、ＮＯｘセンサの出力値と、前記基準稼働条件に応じて予め設定された基準出力値との偏差に基づき、ＮＯｘセンサの出力を補正する第１補正手段を備えたＮＯｘ補正システム（例えば、特許文献３参照）が提案されている。

更に、ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中のＮＯｘ濃度を強制的に変動させ、このときにＮＯｘセンサが出力する出力値の変動が当該ＮＯｘセンサが正常であるときに取りうる変動からずれている場合に、ＮＯｘセンサに異常があると判定する故障判定手段を備えたＮＯｘセンサの故障診断装置（例えば、特許文献４参照）や、内燃機関の所定の運転状態における異常判定モード時に、ＮＯｘセンサに到達する排気ガス中のＮＯｘ濃度を、一旦増大させて減少変化させる、ＮＯｘ濃度増減変化手段と、ＮＯｘ濃度が増減変化されたとき、ＮＯｘセンサの所定の第１出力値の出力状態から、ＮＯｘセンサが所定の第２の出力値を出力するまでの経過時間を計測する経過時間計測手段と、計測された経過時間と基準経過時間とに基づき、ＮＯｘセンサの正常又は異常を判定する判定手段を備えた、排気ガス浄化システムが提案されている（例えば、特許文献５参照）。

しかしながら、これらのＮＯｘセンサの異常診断では、内燃機関の運転状態がＮＯｘ濃度のピーク発生時や、強制的にＮＯｘ濃度を変化させて作った特定の状態で行っているので、内燃機関の特別の条件下の状態の時にしか診断できず、連続的に異常診断を行うことができないという問題がある。

特開２００８−１９０３８３号公報 特開２０１０−２６５７８１号公報 特開２００９−１２７５５２号公報 特開２００３−１２０３９９号公報 特開２００９−１８０１５０号公報

本発明は、上記の状況を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＮＯｘ濃度の計算値とＮＯｘセンサの検出値を比較することで、ＮＯｘセンサの異常診断を連続的に行うことができるＮＯｘセンサの異常診断方法、ＮＯｘセンサの異常診断システム、及び内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法を提供することにある。

上記のような目的を達成するための本発明のＮＯｘセンサの異常診断方法は、内燃機関の排気通路に配置されるＮＯｘセンサの異常診断方法であって、内部ＥＧＲガスの質量流量と外部ＥＧＲガスの質量流量と吸入空気の質量流量と内部ＥＧＲガス中の酸素濃度と外部ＥＧＲガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度から前記内燃機関のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出するステップと、定常時のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｒｅｆ）と定常時のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｒｅｆ）と、指数ｉとが予め設定されている（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出するステップと、

該算出されたＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行うステップを含むことを特徴とする方法である。

この方法によれば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を計算により求めることで、多大な実験工数を掛けることなくＮＯｘセンサの異常診断を行うことができ、しかも、常時ＮＯｘ濃度を計算しているので、ＮＯｘセンサの異常診断を行う時期を内燃機関の運転状態が特別な条件の時に限定する必要がなく、連続的に行うことができる。

また、上記のＮＯｘセンサの異常診断方法において、前記ＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の算出を行う演算ステップが、前記内燃機関の吸気通路に配置された吸気量センサの検出値である前記吸入空気の質量流量（ｍ＿ａｉｒ）と、排気マニホールドに配置された第２温度センサの検出値である温度（Ｔｅ）と吸気マニホールドに配置された第１圧力センサの検出値である圧力（Ｐｉ）と前記排気マニホールドに配置された第２圧力センサの検出値である圧力（Ｐｅ）から算出した前記外部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と、前記第２温度センサの検出値である温度（Ｔｅ）と前記第２圧力センサの検出値である圧力（Ｐｅ）とから算出した前記内部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）から、（１）式によりシリンダ内の質量流量（ｍ＿ｃｙｌ）を算出する第１演算ステップと、

前記大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記排気通路の空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）からＥＧＲガスの時間遅れを考慮して算出した外部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、前記外部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｅｘ＿ｅｇｒ）を算出する第２演算ステップと、前記大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）から算出した内部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、前記内部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｉｎ＿ｅｇｒ）を算出する第３演算ステップと、（４）式より、シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出する第４演算ステップと、

前記（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出する第５演算ステップと、前記（５）式から算出された現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行う第６演算ステップとを備えて構成すると、排気ガス中のＮＯｘ濃度を容易に計算できる。

この外部ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路を通り吸気通路に戻されるＥＧＲガスであり、内部ＥＧＲガスは、前サイクルの燃焼後のガスが排気ポートに排気されずにシリンダ内（筒内）に残留したガスと、一度排気ポートに排気されるがバルブオーバーラップ時にシリンダ内に戻される排気ガスとからなる。

そして、上記の目的を達成するためのＮＯｘセンサの異常診断システムは、内燃機関の排気通路に配置されるＮＯｘセンサの異常診断を行う制御装置を備えたＮＯｘセンサの異常診断システムであって、前記制御装置が、前記内燃機関の吸気通路に配置された吸気量センサの検出値（ｍ＿ａｉｒ）と、吸気マニホールドに配置された第１温度センサの検出値（Ｔｉ）と、前記吸気マニホールドに配置された第１圧力センサの検出値（Ｐｉ）と、排気マニホールドに配置された第２温度センサの検出値（Ｔｅ）と、前記排気マニホールドに配置された第２圧力センサの検出値（Ｐｅ）と、前記排気通路の空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）とから内部ＥＧＲガス中の酸素濃度を算出した上で前記内燃機関のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出するとともに、定常時のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｒｅｆ）と定常時のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｒｅｆ）と、指数ｉとが予め設定されている（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出するＮＯｘ濃度算出手段と、

該算出されたＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行う比較診断手段を備えて構成される。

この構成によれば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を計算により求めることで、多大な実験工数を掛けることなくＮＯｘセンサの異常診断を行うことができ、しかも、常時ＮＯｘ濃度を計算しているので、ＮＯｘセンサの異常診断を行う時期を内燃機関の運転状態が特別な条件の時に限定する必要がなく、連続的に行うことができる。

上記のＮＯｘセンサの異常診断システムにおいて、前記ＮＯｘ濃度算出手段が、前記吸気量センサで検出した吸入空気の質量流量（ｍ＿ａｉｒ）と、前記第２温度センサで検出した温度（Ｔｅ）と前記第１圧力センサで検出した圧力（Ｐｉ）と前記第２圧力センサで検出した圧力（Ｐｅ）から算出した外部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と、前記第２温度センサで検出した温度（Ｔｅ）と前記第２圧力センサで検出した圧力（Ｐｅ）とから算出した内部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）から、（１）式によりシリンダ内の質量流量（ｍ＿ｃｙｌ）を算出する第１演算手段と、

大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）からＥＧＲガスの時間遅れを考慮して算出した外部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、外部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｅｘ＿ｅｇｒ）を算出する第２演算手段と、大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）から算出した内部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、内部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｉｎ＿ｅｇｒ）を算出する第３演算手段と、（４）式より、シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出する第４演算手段と、

前記（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出する第５演算手段とを備え、
前記比較診断手段が、前記算出された現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行う第６演算手段を備えて構成されると、排気ガス中のＮＯｘ濃度を容易に計算できる。

そして、上記の目的を達成するための内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法は、内部ＥＧＲガスの質量流量と外部ＥＧＲガスの質量流量と吸入空気の質量流量と内部ＥＧＲガス中の酸素濃度と外部ＥＧＲガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度から内燃機関のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出するとともに、定常時のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｒｅｆ）と定常時のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｒｅｆ）と、指数ｉとが予め設定されている（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出するステップと、

前記シリンダ内の酸素濃度から、前記シリンダから排出されるＮＯｘ濃度を算出するステップとを含む方法で、上記のＮＯｘセンサの異常診断システムと同様の効果を奏することができる。

本発明に係るＮＯｘセンサの異常診断方法、ＮＯｘセンサの異常診断システム、及び内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法によれば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を計算により求め、この計算されたＮＯｘ濃度とＮＯｘセンサで検出されたＮＯｘ濃度とを比較することで、多大な実験工数をかけることなくＮＯｘセンサの異常診断ができる。また、内燃機関の運転状態が特別な条件下にある状態ではなく、常にＮＯｘ濃度の値を計算して比較できるので、ＮＯｘセンサの異常診断を連続的に行うことができる。

更に、ＥＧＲガスに関して、外部ＥＧＲガスのみならず、内部ＥＧＲガスも考慮しているので、より精度よくＮＯｘセンサの異常診断を行うことができる。

本発明の実施の形態のＮＯｘセンサの異常診断システム及び内燃機関の構成を示す図である。 本発明の実施の形態のＮＯｘセンサの異常診断システムの制御装置の構成を示す図である。

以下、本発明に係る実施の形態のＮＯｘセンサの異常診断方法、ＮＯｘセンサの異常診断システム、及び内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法について、図面を参照しながら説明する。図１に示すように、この内燃機関１０は、エンジン本体１１と、吸気マニホールド１１ａに接続する吸気通路１２と、排気マニホールド１１ｂに接続する排気通路１８を有して構成される。

この吸気通路１２には、上流側から順にエアクリーナー１３、ターボチャージャー（ターボ式過給機）１４のコンプレッサー１４ａ、インタークーラー１５、吸気スロットル（吸気弁）１６が設けられている。また、排気通路１８には、ターボチャージャー１４のタービン１４ｂ、排気ガス浄化装置１９が設けられている。

なお、図１の構成では、排気ガス浄化装置１９は上流側のＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）１９ａと下流側のＳＣＲ触媒（選択的還元型触媒）１９ｂを備えている。このＳＣＲ触媒１９ｂの上流側には、ＮＯｘの還元剤となる尿素水等のアンモニア系溶液（アンモニアを発生する溶液、又はアンモニア水）を排気通路１８中に噴霧する還元剤噴射装置（図示しない）が設けられている。

更に、ＥＧＲ（排気再循環）のために、排気通路１８と吸気通路１２とを連通するＥＧＲ通路２０が設けられ、このＥＧＲ通路２０には、ＥＧＲクーラー２１とＥＧＲ弁２２が配設されている。また、ＥＧＲガスＧｅのＥＧＲクーラー２１による過冷却を防止するために、流量調整弁２４を備えた排気戻し通路２３がＥＧＲクーラー２１の出口と排気通路１８とを接続して設けられている。

そして、空気Ａは、吸気通路１２のエアクリーナー１３で埃等を除去され、コンプレッサー１４ａにより過給されて圧力と温度が上昇した状態となり、インテーククーラー１５で冷却された後、吸気スロットル１６で流量を制御され、必要に応じてＥＧＲガスＧｅと混合されて吸気マニホールド１１ａからエンジン本体１１の各シリンダ（気筒）１７内に入る。なお、ＥＧＲガスＧｅは、排気通路１８からＥＧＲ通路２０や排気戻り通路２３に分岐され、適度にＥＧＲクーラー２１で冷却され、また、ＥＧＲ弁２２や流量調整弁２４により流量を調整されて吸気通路１２に供給される。

シリンダ１７内では、燃料噴射弁（図示しない）から噴射された燃料と空気Ａが混合して燃焼して排気ガスＧを発生する。発生した排気ガスＧは排気マニホールド１１ｂから排気通路１８に排出され、タービン１４ａを駆動した後、ＤＰＦ１９ａでＰＭ（粒子状物質）等を除去されたのち、排気通路１８に供給された還元剤によりＳＣＲ触媒１９ｂでＮＯｘが窒素に還元され、その後、サイレンサー（図示しない）等を通過して大気中に放出される。なお、排気ガスＧの一部はＥＧＲ通路２０に分岐され、ＥＧＲガスＧｅとして再循環される。

そして、この内燃機関１０の運転制御やＤＰＦ１９ａの再生制御や、ＳＣＲ触媒１９ｂにおけるＮＯｘ浄化のための還元剤供給制御等を行うために、吸気系では、エアクリーナー１３とコンプレッサー１４ａとの間に吸気量ｍ＿ａｉｒを計測するためのエアフローセンサ（吸気量センサ）３１が、吸気マニホールド１１ａに吸気温度Ｔｉを計測するための第１温度センサ（インテークマニホールド温度センサ）３２と吸気圧Ｐｉを計測するための第１圧力センサ（吸気圧センサ：ブースト圧センサ）３３が配設される。

また、排気系では、排気マニホールド１１ｂに排気温度Ｔｅを計測するための第２温度センサ（エキゾーストマニホールド温度センサ）３４と排気圧Ｐｅを計測するための第２圧力センサ（排気圧センサ）３５が配設される。また、タービン１４ｂとＤＰＦ１９ａとの間に空気過剰率λを計測する空気過剰率センサ（ラムダセンサ）３６が、ＤＰＦ１９ａとＳＣＲ触媒１９ｂとの間にＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｍを計測するＮＯｘセンサ３７がそれぞれ配設される。

これらのセンサ３１〜３７の検出値を入力して、内燃機関１０の運転制御、ＤＰＦ１９ａの再生制御、ＳＣＲ触媒１９ｂにおけるＮＯｘ浄化のための還元剤供給制御等を行うＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）と呼ばれる制御装置（ＥＣＵ）３０が設けられる。

そして、この内燃機関１０の排気通路１８に配置されるＮＯｘセンサ３７の異常診断のために、内燃機関１０にＮＯｘセンサの異常診断システムが備えられ、このＮＯｘセンサの異常診断システムの制御装置４０が制御装置（ＥＣＵ）３０に組み込まれて構成される。

この制御装置４０は、吸気量センサ３１の検出値ｍ＿ａｉｒと第１温度センサ３２の検出値（吸気温度）Ｔｉと第１圧力センサ３３の検出値（吸気圧力）Ｐｉと、第２温度センサ３４の検出値（排気温度）Ｔｅと、第２圧力センサ３５の検出値（排気圧力）Ｐｅと、排気通路１８の空気過剰率センサ３６の検出値λ＿ｍとから内部ＥＧＲガス中の酸素濃度を算出した上でＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌを算出するＮＯｘ濃度算出手段４１と、この算出されたＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌとＮＯｘセンサ３７の検出値ＮＯｘ＿ｍとを比較して、ＮＯｘセンサ３７が異常であるか否かの診断を行う比較診断手段４２を備えて構成される。

このＮＯｘ濃度算出手段４１は、図２に示すように、第１〜第５演算手段４１ａ〜４１ｅを備え、第１演算ステップで、第１演算手段４１ａにより、第１演算ステップで、吸気量センサ３１で検出した吸入空気Ａの質量流量（新規空気流量）ｍ＿ａｉｒと外部ＥＧＲガスＧｅの質量流量ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒと内部ＥＧＲガスＧｅの質量流量ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒとから、（１）式によりシリンダ１７内の質量流量ｍ＿ｃｙｌを算出する。つまり、「（シリンダ内の質量流量ｍ＿ｃｙｌ）＝（吸入空気の質量流量：ｍ＿ａｉｒ）＋（外部ＥＧＲガスの質量流量：ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）＋（内部ＥＧＲガスの質量流量：ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）」となる。

この外部ＥＧＲガスは、ＥＧＲ通路２０を通り吸気通路１２に戻されるＥＧＲガスＧｅであり、内部ＥＧＲガスは、前サイクルの燃焼後のガスが排気ポートに排気されずにシリンダ１７内（筒内）に残留したガスと、一度排気ポートに排気されるがバルブオーバーラップ時にシリンダ１７内に戻される排気ガスとからなる。

なお、外部ＥＧＲガスＧｅの質量流量ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒは、第２温度センサ３４で検出した温度Ｔｅと第１圧力センサ３３で検出した圧力Ｐｉと第２圧力センサ３５で検出した圧力Ｐｅとから算出し、内部ＥＧＲガスの質量流量ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒは、第２温度センサ３４で検出した温度Ｔｅと第２圧力センサ３５で検出した圧力Ｐｅとから算出する。

ここで、ＥＧＲガスが通過するバルブ有効面積をＡとし、ガス定数をＲとし、比熱比をκとし、シリンダ容積をＶｃｙｌとし、圧縮比をεとすると、外部ＥＧＲ流量ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒは（７）式で算出され、内部ＥＧＲ流量ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒは（８）式で算出される。

次に、第２演算ステップで、第２演算手段４１ｂにより、外部ＥＧＲガスＧ＿ｅｘ＿ｅｇｒの酸素濃度Ｏ２＿ｅｘ＿ｅｇｒを計算する。大気中の酸素濃度Ｏ２＿ａｉｒとＥＧＲ空気過剰率λ＿ｅｇｒと理論空燃比Ｌ＿ｓｔとから、（２）式により、外部ＥＧＲガスＧｅ中の酸素濃度Ｏ２＿ｅｘ＿ｅｇｒを算出する。この外部ＥＧＲ空気過剰率λ＿ｅｘ＿ｅｇｒには、空気過剰率センサ３６の検出値λ＿ｍからＥＧＲガスＧｅの時間遅れを考慮した値を用いる。また、理論空燃比Ｌ＿ｓｔは、燃料によって多少変化するが、ディーゼルエンジンに使用される軽油の場合には、１４．６となり、ガソリンエンジンに使用されるガソリンの場合には、１４．５〜１４．７となる。

次に、第３演算ステップで、第３演算手段４１ｃにより、内部ＥＧＲガスＧ＿ｉｎ＿ｅｇｒの酸素濃度Ｏ２＿ｉｎ＿ｅｇｒを計算する。大気中の酸素濃度Ｏ２＿ａｉｒと内部ＥＧＲ空気過剰率λ＿ｉｎ＿ｅｇｒと理論空燃比Ｌ＿ｓｔとから、（３）式により、内部ＥＧＲガス中の酸素濃度Ｏ２＿ｉｎ＿ｅｇｒを算出する。この内部ＥＧＲ空気過剰率λ＿ｉｎ＿ｅｇｒには、空気過剰率センサ３６の検出値λ＿ｍから算出した値を用いる。通常は、空気過剰率センサ３６の検出値λ＿ｍを内部ＥＧＲ空気過剰率λ＿ｉｎ＿ｅｇｒとする。

また、第４演算ステップで、第４演算手段４１ｄにより、（４）式より、シリンダ１７内の酸素濃度Ｏ２＿ｃｙｌを算出する。

また、第５演算ステップで、第５演算手段４１ｅにより、シリンダ１７内の酸素濃度Ｏ２＿ｃｙｌを変換して、シリンダ１７内のＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌを算出する。ここでは、定常時のシリンダ１７内の酸素濃度Ｏ２＿ｒｅｆと定常時のシリンダ１７から排出されるＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｒｅｆと、指数ｉとが予め設定されている（５）式及び（６）式のシリンダ１７内の酸素濃度Ｏ２＿ｃｙｌとシリンダ１７から排出されるＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌの関係から、現在のシリンダ１７から排出されるＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌを算出する。

これらの酸素濃度Ｏ２＿ｒｅｆとＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｒｅｆと指数ｉは予め定常時のエンジンの実験で求めておき、設定しておく。

そして、比較診断手段４２には、算出された現在のシリンダ１７から排出されるＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌとＮＯｘセンサ３７の検出値ＮＯｘ＿ｍとを比較して、ＮＯｘセンサ３７が異常であるか否かの診断を行う第６演算手段４２ａを備える。

第６演算ステップでは、この第６演算手段４２ａにより、ＮＯｘセンサ３７が異常であるか否かの診断を行うが、このＮＯｘセンサ３７が異常であるか否かの診断では、ＮＯｘセンサ３７が正常な状態であれば、算出されたＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌとＮＯｘセンサ３７の検出値ＮＯｘ＿ｍと差の絶対値が適正な値に設定された判定値ＮＯｘ＿ｊｕｄ以下となるはずであり、逆にＮＯｘセンサ３７が異常な状態であれば、その差の絶対値が判定値ＮＯｘ＿ｊｕｄを超えるはずである。従って、その差の絶対値が判定値ＮＯｘ＿ｊｕｄを超えた場合にＮＯｘセンサ３７は異常であると判定する。

つまり、｜ＮＯｘ＿ｃｙｌ−ＮＯｘ＿ｍ｜≦ＮＯｘ＿ｊｕｄで正常、｜ＮＯｘ＿ｃｙｌ−ＮＯｘ＿ｍ｜＞ＮＯｘ＿ｊｕｄで異常と判定する。これにより、計算されたＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌとＮＯｘセンサ３７の検出値ＮＯｘ＿ｍを比較することで、ＮＯｘセンサ３７の異常診断を行うことができる。

上記のＮＯｘセンサの異常診断方法、ＮＯｘセンサの異常診断システム、及び内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法によれば、排気ガスＧ中のＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌを計算により求めることで、多大な実験工数を掛けることなくＮＯｘセンサ３７の異常診断を行うことができ、しかも、常時ＮＯｘ濃度ＮＯｘ＿ｃｙｌを計算しているので、ＮＯｘセンサ３７の異常診断を行う時期を内燃機関１０の運転状態が特別な条件の時に限定する必要がなく、連続的に行うことができる。

更に、ＥＧＲガスに関して、外部ＥＧＲガスのみならず、内部ＥＧＲガスも考慮しているので、より精度よくＮＯｘセンサの異常診断を行うことができる。

本発明のＮＯｘセンサの異常診断方法、ＮＯｘセンサの異常診断システム、及び内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法によれば、ＮＯｘ濃度の計算値とＮＯｘセンサの検出値を比較することで、ＮＯｘセンサの異常診断を連続的に行うことができるので、車両に搭載するような多くの内燃機関に利用できる。

１０ 内燃機関
１１ エンジン本体
１１ａ 吸気マニホールド
１２ 吸気通路
１７ シリンダ（気筒）
１８ 排気通路
１９ 排気ガス浄化装置
１９ａ ＤＰＦ
１９ｂ ＳＣＲ触媒（選択的還元型触媒）
２０ ＥＧＲ通路
３０ 制御装置（ＥＣＵ）
３１ 吸気量センサ（エアフローセンサ）
３２ 第１温度センサ（インテークマニホールド温度センサ）
３３ 第１圧力センサ（吸気圧センサ：ブースト圧センサ）
３４ 第２温度センサ（エキゾーストマニホールド温度センサ）
３５ 第２圧力センサ（排気圧センサ）
３６ 空気過剰率センサ（ラムダセンサ）
３７ ＮＯｘセンサ
４０ 制御装置（ＮＯｘセンサの異常診断システムの制御装置）
４１ ＮＯｘ濃度算出手段
４１ａ 第１演算手段
４１ｂ 第２演算手段
４１ｃ 第３演算手段
４１ｄ 第４演算手段
４１ｅ 第５演算手段
４２ 比較診断手段
４２ａ 診断手段
Ａ 空気
Ｇ 排気ガス
Ｇｅ 外部ＥＧＲガス
Ｌ＿ｓｔ 理論空燃比
ＮＯｘ＿ｃｙｌ ＮＯｘ濃度の算出値
ＮＯｘ＿ｊｕｄ 判定値
ＮＯｘ＿ｍ ＮＯｘ濃度の計測値
ｍ＿ａｉｒ 吸気量センサの検出値
ｍ＿ｃｙｌ シリンダ内の質量流量
ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒ 外部ＥＧＲガスの質量流量
ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒ 内部ＥＧＲガスの質量流量
Ｏ２＿ａｉｒ 大気中の酸素濃度
Ｏ２＿ｅｘ＿ｅｇｒ 外部ＥＧＲ空気過剰率
Ｏ２＿ｉｎ＿ｅｇｒ 内部ＥＧＲ空気過剰率
Ｐｅ 排気圧
Ｐｉ 吸気圧
Ｔｅ 排気温度
Ｔｉ 吸気温度
λ 空気過剰率
λ＿ｅｘ＿ｅｇｒ 外部ＥＧＲガスの空気過剰率
λ＿ｉｎ＿ｅｇｒ 内部ＥＧＲガスの空気過剰率
λ＿ｍ 空気過剰率センサの検出値

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に配置されるＮＯｘセンサの異常診断方法であって、
   内部ＥＧＲガスの質量流量と外部ＥＧＲガスの質量流量と吸入空気の質量流量と内部ＥＧＲガス中の酸素濃度と外部ＥＧＲガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度から前記内燃機関のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出するステップと、
   定常時のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｒｅｆ）と定常時のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｒｅｆ）と、指数ｉとが予め設定されている（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出するステップと、
   

   

   該算出されたＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行うステップを含むことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断方法。
2. 前記ＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の算出を行う演算ステップが、
   前記内燃機関の吸気通路に配置された吸気量センサの検出値である前記吸入空気の質量流量（ｍ＿ａｉｒ）と、排気マニホールドに配置された第２温度センサの検出値である温度（Ｔｅ）と吸気マニホールドに配置された第１圧力センサの検出値である圧力（Ｐｉ）と前記排気マニホールドに配置された第２圧力センサの検出値である圧力（Ｐｅ）から算出した前記外部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と、前記第２温度センサの検出値である温度（Ｔｅ）と前記第２圧力センサの検出値である圧力（Ｐｅ）とから算出した前記内部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）から、（１）式によりシリンダ内の質量流量（ｍ＿ｃｙｌ）を算出する第１演算ステップと、
   

   

   前記大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記排気通路の空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）からＥＧＲガスの時間遅れを考慮して算出した外部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、前記外部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｅｘ＿ｅｇｒ）を算出する第２演算ステップと、
   前記大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）から算出した内部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、前記内部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｉｎ＿ｅｇｒ）を算出する第３演算ステップと、
   （４）式より、シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出する第４演算ステップと、
   

   

   前記（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出する第５演算ステップと、
   前記（５）式から算出された現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行う第６演算ステップとを備えたことを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘセンサの異常診断方法。
3. 内燃機関の排気通路に配置されるＮＯｘセンサの異常診断を行う制御装置を備えたＮＯｘセンサの異常診断システムであって、
   前記制御装置が、
   前記内燃機関の吸気通路に配置された吸気量センサの検出値（ｍ＿ａｉｒ）と、吸気マニホールドに配置された第１温度センサの検出値（Ｔｉ）と、前記吸気マニホールドに配置された第１圧力センサの検出値（Ｐｉ）と、排気マニホールドに配置された第２温度センサの検出値（Ｔｅ）と、前記排気マニホールドに配置された第２圧力センサの検出値（Ｐｅ）と、前記排気通路の空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）とから内部ＥＧＲガス中の酸素濃度を算出した上で前記内燃機関のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出するとともに、
   定常時のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｒｅｆ）と定常時のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｒｅｆ）と、指数ｉとが予め設定されている（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出するＮＯｘ濃度算出手段と、
   

   

   該算出されたＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行う比較診断手段を備えたことを特徴とするＮＯｘセンサの異常診断システム。
4. 前記ＮＯｘ濃度算出手段が、
   前記吸気量センサで検出した吸入空気の質量流量（ｍ＿ａｉｒ）と、前記第２温度センサで検出した温度（Ｔｅ）と前記第１圧力センサで検出した圧力（Ｐｉ）と前記第２圧力センサで検出した圧力（Ｐｅ）から算出した外部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と、前記第２温度センサで検出した温度（Ｔｅ）と前記第２圧力センサで検出した圧力（Ｐｅ）とから算出した内部ＥＧＲガスの質量流量（ｍ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）から、（１）式によりシリンダ内の質量流量（ｍ＿ｃｙｌ）を算出する第１演算手段と、
   

   

   大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）からＥＧＲガスの時間遅れを考慮して算出した外部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｅｘ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、外部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｅｘ＿ｅｇｒ）を算出する第２演算手段と、
   大気中の酸素濃度（Ｏ２＿ａｉｒ）と前記空気過剰率センサの検出値（λ＿ｍ）から算出した内部ＥＧＲ空気過剰率（λ＿ｉｎ＿ｅｇｒ）と理論空燃比（Ｌ＿ｓｔ）とから、内部ＥＧＲガス中の酸素濃度（Ｏ２＿ｉｎ＿ｅｇｒ）を算出する第３演算手段と、
   （４）式より、シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出する第４演算手段と、
   

   

   前記（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出する第５演算手段とを備え、
   前記比較診断手段が、前記算出された現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）と前記ＮＯｘセンサの検出値（ＮＯｘ＿ｍ）とを比較して、前記ＮＯｘセンサが異常であるか否かの診断を行う第６演算手段を備えていることを特徴とする請求項３に記載のＮＯｘセンサの異常診断システム。
5. 内部ＥＧＲガスの質量流量と外部ＥＧＲガスの質量流量と吸入空気の質量流量と内部ＥＧＲガス中の酸素濃度と外部ＥＧＲガス中の酸素濃度と大気中の酸素濃度から内燃機関のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）を算出するとともに、
   定常時のシリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｒｅｆ）と定常時のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｒｅｆ）と、指数ｉとが予め設定されている（５）式の、前記シリンダ内の酸素濃度（Ｏ２＿ｃｙｌ）とシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）の関係から、現在のシリンダから排出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ＿ｃｙｌ）を算出するステップと、
   

   

   前記シリンダ内の酸素濃度から、前記シリンダから排出されるＮＯｘ濃度を算出するステップとを含む内燃機関のＮＯｘ排出濃度推定方法。

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