JP6015855B2

JP6015855B2 - 排気浄化装置の異常診断装置

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Publication number: JP6015855B2
Application number: JP2015519920A
Authority: JP
Inventors: 知由小郷; 小木曽　誠人; 誠人小木曽; 一哉高岡; 大河萩本; 有史松本; 大和西嶋; 憲治古井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2013-05-30
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2016-10-26
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: EP3006686B1; AU2014271738B2; CN105339618A; US9617938B2; EP3006686A1; CN105339618B; US20160131063A1; AU2014271738A1; EP3006686A4; EP3006686B8; JPWO2014192846A1; RU2015150372A; RU2624308C1; WO2014192846A1

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置の異常診断技術に関する。

特許文献１には、選択還元型（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）触媒と、該ＳＣＲ触媒へ流入する排気に尿素水溶液を添加する添加弁と、ＳＣＲ触媒より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部（ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス）を導く低圧ＥＧＲシステムと、を備える構成について記載されている。

特許文献２には、ＳＣＲ触媒と、該ＳＣＲ触媒へ流入する排気に尿素水溶液を添加する添加弁と、ＳＣＲ触媒より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を導く低圧ＥＧＲシステムと、を備える構成について記載されている。特許文献２には、添加弁から尿素水溶液を添加するときにＥＧＲガスの量を減少させる技術についても記載されている。

特許文献３には、ＳＣＲ触媒と、該ＳＣＲ触媒へ流入する排気に尿素水溶液を添加する添加弁と、ＳＣＲ触媒より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を導く低圧ＥＧＲシステムと、を備える構成について記載されている。特許文献３には、低圧ＥＧＲガスの経路に存在する凝縮水を中和する必要がある場合は、ＥＧＲガスが還流されているときに添加弁から尿素水溶液を供給させる技術についても開示されている。

特許文献４には、火花点火式の内燃機関において、吸気通路にアンモニアを供給する装置と、排気通路に配置されたＳＣＲ触媒と、を備える構成について記載されている。

国際公開第２０１２／１６４７１３号国際公開第２０１１／０３０４３３号国際公開第２０１１／０７０６４７号特開２０１０−１５９７０５号公報

ＳＣＲ触媒等を含む排気浄化装置の異常を検出する技術として、ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_Ｘの量（以下、「ＮＯ_Ｘ流入量」と称する）とＳＣＲ触媒から流出するＮＯ_Ｘの量（以下、「ＮＯ_Ｘ流出量」と称する）をパラメータとしてＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率（ＮＯ_Ｘ流入量に対し、ＳＣＲ触媒で浄化されたＮＯ_Ｘ量の比率）を演算し、そのＮＯ_Ｘ浄化率に基づいて排気浄化装置の異常を診断する技術が知られている。

ＮＯ_Ｘ流入量とＮＯ_Ｘ流出量は、ＮＯ_Ｘセンサの測定値に基づいて算出されてもよいが、２つのＮＯ_Ｘセンサが必要になるため、車両搭載性が低下したり、製造コストが大きくなったりする。そこで、ＮＯ_Ｘ流出量のみをＮＯ_Ｘセンサを利用して演算し、ＮＯ_Ｘ流入量を内燃機関の運転状態から推定（演算）する方法が提案されている。

ところで、上記した特許文献１乃至３に記載されているように低圧ＥＧＲシステムが搭載された車両においては、尿素水溶液のようなアンモニアの前駆体、或いはアンモニアが低圧ＥＧＲシステムによって内燃機関へ導入される場合がある。アンモニアの前駆体、或いはアンモニアが内燃機関において燃焼に供されると、一酸化窒素（ＮＯ）等のＮＯ_Ｘが生成される。その結果、内燃機関から排出されるＮＯ_Ｘの量、言い換えると、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ流入量が増加する。そのような場合は、内燃機関の運転状態から演算されるＮＯ_Ｘ流入量が実際のＮＯ_Ｘ流入量より少なくなる。一方、ＮＯ_Ｘセンサの測定値に基づいて算出されるＮＯ_Ｘ流出量は、実際のＮＯ_Ｘ流入量が増加することにより、少なからず増加する場合がある。よって、ＮＯ_Ｘ流入量の演算値とＮＯ_Ｘ流出量の測定値をパラメータとして演算されるＮＯ_Ｘ浄化率が実際のＮＯ_Ｘ浄化率より小さくなり、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず異常であると誤診断される可能性がある。

これに対し、ＥＧＲガスが還流されているときは異常診断を禁止する方法が考えられる。しかしながら、ＥＧＲガスが還流される運転状態が継続された場合は、異常診断が行われず、排気浄化装置の異常を速やかに検出することができなくなる可能性がある。

本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を導くＥＧＲ装置と、ＮＯ_Ｘ流入量の演算値をパラメータとして排気浄化装置の異常診断を行う診断手段と、を備えた排気浄化装置の異常診断装置において、ＥＧＲ装置によって添加剤の一部が内燃機関へ導入される場合であっても、異常診断精度の低下を抑制することにある。

本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、前記供給装置による添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるＥＧＲ装置と、内燃機関の運転状態を示すパラメータを利用して排気浄化装置へ流入するＮＯ_Ｘ量であるＮＯ_Ｘ流入量を演算する演算手段と、前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量をパラメータとして排気浄化装置の異常を診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置の異常診断装置において、前記ＥＧＲ装置によって排気とともに還流される添加剤の量に応じて、前記演算手段によって算出されたＮＯ_Ｘ流入量を補正するようにした。

詳細には、本発明の排気浄化装置の異常診断装置は、
内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、
前記排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、
前記供給装置による添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるＥＧＲ装置と、
前記内燃機関の運転状態を示すパラメータを利用して、前記排気浄化装置へ流入するＮＯ_Ｘ量であるＮＯ_Ｘ流入量を演算する演算手段と、
前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量をパラメータとして、前記排気浄化装置の異常を診断する診断手段と、
前記ＥＧＲ装置により排気の一部が還流されている場合において、排気とともに還流される添加剤の量に応じて、前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量を増加補正する補正手段と、
を備えるようにした。

ＥＧＲ装置により排気の一部（ＥＧＲガス）が還流されているときは、供給装置から供給された添加剤の一部がＥＧＲガスとともに還流される可能性がある。そのような場合は、添加剤が内燃機関において燃焼に供されるため、内燃機関から排出されるＮＯ_Ｘの量が増加する。詳細には、内燃機関において添加剤が混合気とともに燃焼された場合に、アンモニア（ＮＨ_３）が酸化されることにより、一酸化窒素（ＮＯ）が生成される。その結果、内燃機関から実際に排出されるＮＯ_Ｘの量（排気浄化装置へ実際に流入するＮＯ_Ｘの量であり、以下では「実ＮＯ_Ｘ流入量」と称する）は、演算手段により算出されるＮＯ_Ｘ流入量（以下、「ＮＯ_Ｘ流入量演算値」と称する）より多くなる。つまり、ＮＯ_Ｘ流入量演算値は、実ＮＯ_Ｘ流入量より少なくなる。そのため、ＮＯ_Ｘ流入量演算値をパラメータとして排気浄化装置の異常診断が行われると、診断精度が低下する可能性がある。

これに対し、本発明の補正手段は、ＥＧＲガスが内燃機関で燃焼に供される状況下で排気浄化装置の異常診断が行われるときは、ＥＧＲガスとともに還流される添加剤の量に応じて、ＮＯ_Ｘ流入量演算値を補正する。具体的には、本発明の補正手段は、ＥＧＲガスとともに還流される添加剤の量が多いときは少ないときに比べ、ＮＯ_Ｘ流入量演算値が大きくなるような増加補正を行う。このようにＮＯ_Ｘ流入量演算値が補正されると、ＮＯ_Ｘ流入量演算値と実ＮＯ_Ｘ流入量との差が小さくなる。よって、診断手段が補正後のＮＯ_Ｘ流入量演算値をパラメータとして排気浄化装置の異常診断を行う場合に、診断精度の低下を抑制することが可能になる。

ここで、ＥＧＲ装置が排気浄化装置より下流の排気通路から吸気通路へＥＧＲガスを還流させるように構成される場合において、排気浄化装置の異常診断精度を高めるためには、ＥＧＲガスとともに還流される添加剤の量を正確に求める必要がある。ＥＧＲガスとともに還流される添加剤の量は、排気浄化装置をすり抜ける添加剤の量（以下、「スリップ量」と記す）と、排気浄化装置から流出した排気の量に対してＥＧＲガスとして還流される排気の量の割合（ＥＧＲ率に相当）と、排気浄化装置から流出した排気の一部が吸気通路及び内燃機関を経て再び排気浄化装置へ流入するまでにかかる時間（輸送遅れ時間））と、をパラメータとして演算することができる。その際、ＥＧＲガスとともに還流される添加剤の略全量が内燃機関において酸化されると考えられる。よって、内燃機関から実際に排出されるＮＯ_Ｘの量の増加分（ＮＯ_Ｘ流入量演算値と実ＮＯ_Ｘ流入量との差分）は、上記したパラメータを用いて演算される添加剤の還流量に相関する。そこで、補正手段は、上記したパラメータを用いて添加剤の還流量を演算し、輸送遅れ時間が経過した時点のＮＯ_Ｘ流入量演算値に添加剤の還流量を加算する方法により、ＮＯ_Ｘ流入量演算値を補正すればよい。

添加剤のスリップ量は、選択還元型触媒の温度と、選択還元型触媒を通過する排気の流量と、選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの量と、をパラメータとして演算することができる。たとえば、選択還元型触媒の温度が高いときは少ないときに比べ、添加剤のスリップ量が多くなる。選択還元型触媒を通過する排気の流量が多いときは少ないときに比べ、添加剤のスリップ量が多くなる。選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの量が多いときは少ないときに比べ、添加剤のスリップ量が多くなる。そこで、これらの傾向に基づいて、選択還元型触媒の温度と、選択還元型触媒を通過する排気の流量と、選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの量と、添加剤のスリップ量と、の関係を示すマップ又は関数を求めておき、そのマップ又は関数に基づいて添加剤のスリップ量を求めるようにしてもよい。

また、輸送遅れ時間は、排気浄化装置から流出した排気の一部がＥＧＲ通路、吸気通路、及び内燃機関を経て再び排気浄化装置へ流入するまでの経路の長さと、該経路の容積と、排気の流速（単位時間あたりの吸入空気量に相関）と、をパラメータとして演算することができる。たとえば、前記経路の長さが長くなるほど、輸送遅れ時間が長くなる。前記経路の容積が大きくなるほど、輸送遅れ時間が長くなる。排気の流速が小さくなるほど、輸送遅れ時間が長くなる。なお、前記経路の長さと前記経路の容積とは固定値であるため、排気の流速と輸送遅れ時間との関係を示すマップ又は関数を求めておき、そのマップ又は関数に基づいて輸送遅れ時間を求めるようにしてもよい。

上記したような方法により還元剤の還流量と輸送遅れ時間が求められると、補正手段は、輸送遅れ時間が経過した時点におけるＮＯ_Ｘ流入量演算値に添加剤の還流量を加算することにより、ＮＯ_Ｘ流入量演算値を補正すればよい。そして、診断手段は、補正後のＮＯ_Ｘ流入量演算値に基づいて排気浄化装置の異常を診断すればよい。その結果、ＥＧＲ装置によって添加剤の一部が内燃機関へ導入される場合であっても、異常診断精度の低下を抑制することができる。

次に、ＥＧＲ装置が添加剤の供給位置より下流であって、排気浄化装置より上流の排気通路から吸気通路へＥＧＲガスを還流させるように構成されている場合において、添加剤の還流量は、ＥＧＲ率と、輸送遅れ時間と、をパラメータとして演算することができる。そこで、補正手段は、ＥＧＲ率と、輸送遅れ時間とをパラメータとして添加剤の還流量を演算し、その演算結果に応じて前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量を補正すればよい。

本発明の排気浄化装置の異常診断装置は、補正手段がＮＯ_Ｘ流入量演算値を増加補正する際の補正量に応じて、供給装置から供給される添加剤の量を変更する変更手段をさらに備えてもよい。その場合、供給装置から供給される添加剤の量は、実ＮＯ_Ｘ流入量に適した量になる。その結果、排気浄化装置によって浄化されないＮＯ_Ｘの量を低減することができる。

本発明によれば、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を導くＥＧＲ装置と、ＮＯ_Ｘ流入量の演算値をパラメータとして排気浄化装置の異常診断を行う診断手段と、を備えた排気浄化装置の異常診断装置において、ＥＧＲ装置によって添加剤の一部が内燃機関へ導入される場合であっても、異常診断精度の低下を抑制することができる。

本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。実ＮＯ_Ｘ流入量とＮＯ_Ｘ浄化率との関係を示す図である。ＮＯ_Ｘ流入量の演算値を補正する際にＥＣＵが実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量とＳＣＲ触媒の温度とアンモニアのスリップ量との関係を示す図である。ＳＣＲ触媒を通過する排気の流量とＳＣＲ触媒の温度とＮＯ_Ｘ浄化率との関係を示す図である。本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の他の構成例を示す図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、軽油を主燃料とする圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）若しくはガソリンを主燃料とする火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）である。

内燃機関１には、吸気通路２が接続されている。吸気通路２は、大気中から取り込んだ新気（空気）を内燃機関１へ導くための通路である。吸気通路２の途中には、遠心過給機（ターボチャージャ）３のコンプレッサ３０が配置されている。コンプレッサ３０より上流の吸気通路２には、該吸気通路２の通路断面積を変更する吸気絞り弁４が配置されている。

内燃機関１には、排気通路５が接続されている。排気通路５は、内燃機関１の気筒内で燃焼されたガス（排気）を後述する排気浄化装置などに導くための通路である。排気通路５の途中には、ターボチャージャ３のタービン３１が配置されている。タービン３１より下流の排気通路５には、第一触媒ケーシング６が配置されている。

第一触媒ケーシング６は、円筒状のケーシング内にパティキュレートフィルタや酸化触媒などを収容している。なお、第一触媒ケーシング６は、酸化触媒の代わりに、三元触媒又は吸蔵還元型触媒を収容していてもよい。その際、三元触媒又は吸蔵還元型触媒は、パティキュレートフィルタに担持されてもよい。

第一触媒ケーシング６より下流の排気通路５には、第二触媒ケーシング７が配置されている。第二触媒ケーシング７は、円筒状のケーシング内に選択還元型触媒（ＳＣＲ触媒）や酸化触媒などを収容している。なお、第二触媒ケーシング７は、ＳＣＲ触媒が担持されたパティキュレートフィルタを収容していてもよい。その場合、第一触媒ケーシング６が酸化触媒を収容し、或いは第一触媒ケーシング６を設けずに、第二触媒ケーシング７内に酸化触媒が収容されてもよい。このように構成される第二触媒ケーシング７は、本発明に係わる排気浄化装置に相当する。

第一触媒ケーシング６と第二触媒ケーシング７との間の排気通路５には、添加弁８が取り付けられている。添加弁８は、アンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を排気通路５内へ噴射する噴射弁である。ここで、アンモニアの前駆体として、尿素やカルバミン酸アンモニウムなどの水溶液を用いることができるが、本実施例では尿素水溶液を用いるものとする。添加弁８は、本発明に係わる供給装置に相当する。なお、第一触媒ケーシング６が三元触媒又は吸蔵還元型触媒を収容している場合は、第一触媒ケーシング６へ流入する排気をリッチ雰囲気にすることにより、三元触媒又は吸蔵還元型触媒においてアンモニアを生成させることもできる。

添加弁８から排気通路５内へ噴射された尿素水溶液は、排気とともに第二触媒ケーシング７へ流入する。その際、尿素水溶液が排気の熱を受けて熱分解され、又はＳＣＲ触媒により加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、アンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このようにして生成されたアンモニア（ＮＨ_３）は、ＳＣＲ触媒に吸着又は吸蔵される。ＳＣＲ触媒に吸着又は吸蔵されたアンモニア（ＮＨ_３）は、排気中に含まれる窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）と反応して窒素（Ｎ_２）や水（Ｈ_２Ｏ）を生成する。つまり、アンモニア（ＮＨ_３）は、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）の還元剤として機能する。

次に、第二触媒ケーシング７より下流の排気通路５には、ＥＧＲ通路９０の基端が接続されている。ＥＧＲ通路９０の終端は、吸気絞り弁４より下流、且つコンプレッサ３０より上流の吸気通路２に接続されている。ＥＧＲ通路９０は、排気通路５から吸気通路２へ排気の一部（ＥＧＲガス）を導くための通路である。

ＥＧＲ通路９０の途中には、ＥＧＲ弁９１とＥＧＲクーラ９２が配置されている。ＥＧＲ弁９１は、ＥＧＲ通路９０の通路断面積を変更する弁機構であって、ＥＧＲ通路９０を流れるＥＧＲガス量を調整する弁機構である。ＥＧＲクーラ９２は、ＥＧＲ通路９０を流れるＥＧＲガスを冷却する機器であり、たとえばＥＧＲガスと冷却水との間で熱交換を行わせる熱交換器である。なお、ＥＧＲ通路９０、ＥＧＲ弁９１、及びＥＧＲクーラ９２は、ＥＧＲ装置９の構成要素である。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等から構成される電子制御ユニットである。ＥＣＵ１０は、エアフローメータ１１、ＮＯ_Ｘセンサ１２、アクセルポジションセンサ１３、クランクポジションセンサ１４等の各種センサと電気的に接続されている。

エアフローメータ１１は、吸気絞り弁４より上流の吸気通路２に配置され、吸気通路２を流れる空気の量（質量）に相関する電気信号を出力する。ＮＯ_Ｘセンサ１２は、第二触媒ケーシング７より下流の排気通路５に取り付けられ、第二触媒ケーシング７から流出する排気のＮＯ_Ｘ濃度に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ１３は、図示しないアクセルペダルの操作量（アクセル開度）に相関する電気信号を出力する。クランクポジションセンサ１４は、内燃機関１の出力軸（クランクシャフト）の回転位置に相関する電気信号を出力する。

また、ＥＣＵ１０は、前述した吸気絞り弁４、添加弁８、及びＥＧＲ弁９１に加え、図示しない燃料噴射弁等の各種機器と電気的に接続されている。ＥＣＵ１０は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、前記した各種機器を電気的に制御する。

たとえば、ＥＣＵ１０は、アクセルポジションセンサ１３やクランクポジションセンサ１４の出力信号から機関負荷や機関回転速度を演算し、その演算結果に応じて燃料噴射量や燃料噴射時期を制御する。また、ＥＣＵ１０は、第二触媒ケーシング７に収容されたＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ流入量）をパラメータとして、該ＳＣＲ触媒の異常を診断する。

ここで、ＳＣＲ触媒の異常診断方法について述べる。先ず、ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態を示すパラメータに基づいて内燃機関１から排出されるＮＯ_Ｘの量（言い換えると、第二触媒ケーシング７のＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ流入量））を演算する。

内燃機関１から排出されるＮＯ_Ｘの量、すなわち内燃機関１において混合気が燃焼する際に発生するＮＯ_Ｘの量は、混合気に含まれる酸素の量、混合気に含まれる燃料の量、燃料噴射時期、及び機関回転速度に相関する。混合気に含まれる酸素の量は、吸入空気量（エアフローメータ１１の出力信号）に相関する。混合気に含まれる燃料の量は、燃料噴射量に相関する。よって、ＥＣＵ１０は、エアフローメータ１１の出力信号と、燃料噴射量と、燃料噴射時期と、機関回転速度と、をパラメータとして、ＮＯ_Ｘ流入量を演算することができる。なお、上記した種々のパラメータとＮＯ_Ｘ流入量との関係は、予め実験的に求めておき、それらの関係をマップや関数式の態様でＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶させておくようにしてもよい。このようにＥＣＵ１０がＮＯ_Ｘ流入量を演算することにより、本発明に係わる演算手段が実現される。

ＥＣＵ１０は、ＮＯ_Ｘ流入量の演算値（ＮＯ_Ｘ流入量演算値）をパラメータとしてＳＣＲ触媒の異常を診断する。ＮＯ_Ｘ流入量演算値をパラメータとしてＳＣＲ触媒の異常を診断する方法としては、たとえば、ＮＯ_Ｘ流入量演算値をパラメータとしてＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率やＮＯ_Ｘ浄化量等を演算し、その演算結果と閾値とを比較する方法を用いることができる。なお、以下では、ＮＯ_Ｘ浄化率と閾値を比較する例について述べる。ここでいうＮＯ_Ｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_Ｘの量に対して、ＳＣＲ触媒により浄化されたＮＯ_Ｘの量の割合であり、以下の式（１）により演算することができる。
Ｅｎｏｘ＝（Ａｎｏｘｉｎ−Ａｎｏｘｏｕｔ）／Ａｎｏｘｉｎ・・・（１）

前記式（１）中のＥｎｏｘは、ＮＯ_Ｘ浄化率である。Ａｎｏｘｉｎは、ＮＯ_Ｘ流入量であり、上記した方法により算出されたＮＯ_Ｘ流入量演算値が代入される。Ａｎｏｘｏｕｔは、ＮＯ_Ｘ流出量であり、ＮＯ_Ｘセンサ１２の出力信号（ＮＯ_Ｘ濃度）と単位時間あたりの排気流量（短時間あたりの吸入空気量と単位時間あたり燃料噴射量との総和）とを乗算することにより求められた値が代入される。

前記式（１）によりＮＯ_Ｘ浄化率Ｅｎｏｘが算出されると、ＥＣＵ１０は、該ＮＯ_Ｘ浄化率Ｅｎｏｘが閾値以上であるか否かを判別する。ここでいう「閾値」は、ＳＣＲ触媒が正常であるときの最低のＮＯ_Ｘ浄化率、又はそのＮＯ_Ｘ浄化率にマージンを加算した値である。ＥＣＵ１０は、ＮＯ_Ｘ浄化率Ｅｎｏｘが閾値以上であれば、ＳＣＲ触媒が正常であると診断する。一方、ＮＯ_Ｘ浄化率Ｅｎｏｘが閾値未満であれば、ＳＣＲ触媒が異常であると診断する。このようにＥＣＵ１０がＮＯ_Ｘ流入量の演算値をパラメータとしてＳＣＲ触媒の異常診断処理を実行することにより、本発明に係わる診断手段が実現される。

ところで、ＥＧＲ装置９により排気の一部が排気通路５から吸気通路２へ還流されているとき、詳細にはＥＧＲ装置９により還流された排気の一部（ＥＧＲガス）がＳＣＲ触媒へ再流入しているときに、ＳＣＲ触媒の異常診断処理が実施されると、誤診断を招く可能性がある。

ＥＧＲガスが還流されているときに、ＳＣＲ触媒からアンモニアの一部がすり抜けると、そのアンモニアの一部がＥＧＲガスとともに内燃機関１へ吸入される。内燃機関１に吸入されたアンモニアは、混合気とともに燃焼に供される。その場合、アンモニアが高温下で酸素と接触することになるため、アンモニアが酸化して一酸化窒素（ＮＯ）等のＮＯ_Ｘが生成される。その結果、アンモニアがＥＧＲガスとともに内燃機関１に吸入された場合は吸入されない場合に比べ、内燃機関１から排出されるＮＯ_Ｘの量が増加する。

内燃機関１から排出されるＮＯ_Ｘの量が上記した理由によって増加した場合は、ＮＯ_Ｘ流入量演算値と実際のＮＯ_Ｘ流入量（実ＮＯ_Ｘ流入量）との間に誤差が発生する。また、実ＮＯ_Ｘ流入量が増加した場合は、ＳＣＲ触媒によって浄化されないＮＯ_Ｘの量が増加し、ＮＯ_Ｘ流出量が増加する場合もある。特に、ＮＯ_Ｘ流入量演算値に基づいて添加弁８から噴射される尿素水溶液の量が調整される場合は、添加弁８から噴射される尿素水溶液の量が実ＮＯ_Ｘ流入量に適した量より少なくなるため、ＮＯ_Ｘ流出量が多くなる。その結果、図２に示すように、ＳＣＲ触媒が正常である場合であっても、前記式（１）により算出されたＮＯ_Ｘ浄化率Ｅｎｏｘが閾値を下回ってしまう可能性がある。なお、図２中の実線は実ＮＯ_Ｘ流入量をパラメータとして演算されるＮＯ_Ｘ浄化率を示し、図２中の一点鎖線はＮＯ_Ｘ流入量演算値をパラメータとして演算されるＮＯ_Ｘ浄化率を示す。また、図２中の点線は、閾値を示す。

また、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化量と閾値とを比較する方法においては、ＮＯ_Ｘ流入量演算値からＮＯ_Ｘ流出量を減算することにより、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化量が算出される。その際、ＮＯ_Ｘ流入量演算値が実ＮＯ_Ｘ流入量より少なくなると、ＮＯ_Ｘ浄化量の演算値が実際のＮＯ_Ｘ浄化量より少なくなる。その結果、ＮＯ_Ｘ浄化量の演算値が閾値を下回ってしまう可能性がある。

そこで、本実施例の排気浄化装置の異常診断装置は、ＥＧＲガスが還流されている状況下において、ＳＣＲ触媒の異常診断が実施される場合は、ＥＧＲガスとともに内燃機関１に吸入されるアンモニアの量に応じて、ＮＯ_Ｘ流入量演算値を補正し、補正後のＮＯ_Ｘ流入量演算値を用いてＮＯ_Ｘ浄化率を演算するとともに、補正後のＮＯ_Ｘ流入量演算値を用いて尿素水溶液の噴射量を決定されるようにした。

ここで、ＮＯ_Ｘ流入量演算値の補正手順について図３に沿って説明する。図３は、ＮＯ_Ｘ流入量演算値Ａｎｏｘｉｎを補正する際に、ＥＣＵ１０が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めＥＣＵ１０のＲＯＭに記憶されており、ＥＣＵ１０（ＣＰＵ）によって周期的に実行されるルーチンである。

図３の処理ルーチンでは、ＥＣＵ１０は、先ずＳ１０１の処理において、添加弁８が尿素水溶液を噴射しているか否かを判別する。Ｓ１０１の処理において否定判定された場合は、アンモニアがＥＧＲガスとともに内燃機関１へ吸入されないため、或いはＳＣＲ触媒から多少のアンモニアが離脱してもＥＧＲガスとともに内燃機関１へ吸入されるアンモニアは少量であるため、ＥＣＵ１０は、ＮＯ_Ｘ流入量演算値Ａｎｏｘｉｎを補正せずに本ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０２の処理へ進む。

Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ装置９が作動中であるか否か、言い換えると、ＥＧＲ装置９によって排気の一部が排気通路５から吸気通路２へ還流されているか否かを判別する。ＥＣＵ１０は、ＥＧＲ弁９１の開度が零（全閉）であるときは否定判定し、ＥＧＲ弁９１の開度が零より大きいときは肯定判定する。Ｓ１０２の処理において否定判定された場合は、ＳＣＲ触媒をすり抜けたアンモニアが内燃機関１に吸入されないため、ＥＣＵ１０は本ルーチンの実行を終了する。

なお、Ｓ１０１の処理で否定判定された場合、及びＳ１０２の処理で否定された場合は、ＥＣＵ１０は、補正されないＮＯ_Ｘ流入量演算値に基づいて、排気浄化装置の異常診断処理と尿素水溶液の噴射量制御とを実行する。

Ｓ１０２の処理において肯定判定された場合は、ＳＣＲ触媒をすり抜けたアンモニアが内燃機関１に吸入される可能性がある。そのため、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３以降の処理においてＮＯ_Ｘ流入量演算値の補正を行う。

先ず、Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒から流出するアンモニアの量、すなわち、アンモニアのスリップ量Ａｎｈ３ｓｌｐを演算する。ここで、アンモニアのスリップ量Ａｎｈ３ｓｌｐは、排気の流量と、ＳＣＲ触媒の温度と、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量と、をパラメータとして演算される。

図４は、ＳＣＲ触媒を通過する排気の流量が一定である場合における、ＳＣＲ触媒に吸着されているアンモニアの量（吸着量）とＳＣＲ触媒の温度とＳＣＲ触媒から流出する排気のアンモニア濃度との関係を示す図である。図４において、ＳＣＲ触媒から流出する排気のアンモニア濃度は、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が多くなるほど濃くなり、且つＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど濃くなる。よって、ＳＣＲ触媒を通過する排気の流量が一定である場合は、アンモニアのスリップ量は、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が多くなるほど、且つＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど多くなると言える。

また、ＳＣＲ触媒から流出する排気のアンモニア濃度が一定であれば、単位時間あたりにＳＣＲ触媒を通過する排気の流量が多くなるほど、単位時間あたりのスリップ量が多くなる。よって、アンモニアのスリップ量は、単位時間あたりにＳＣＲ触媒を通過する排気の流量が多くなるほど多くなる。

そこで、本実施例においては、図４に示したような関係に基づいて、ＳＣＲ触媒から流出する排気のアンモニア濃度を求め、該アンモニア濃度に単位時間あたりの排気流量（単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総和）を乗算することにより、アンモニアのスリップ量Ａｎｈ３ｓｌｐを求める。

なお、アンモニアのスリップ量Ａｎｈ３ｓｌｐを求める際に使用されるアンモニア吸着量は、適宜の方法で推定される。たとえば、ＳＣＲ触媒へ流入するアンモニアの量から、ＳＣＲ触媒において消費されるアンモニアの量（ＮＯ_Ｘの還元に消費されるアンモニアの量）と、スリップ量と、を減算することにより、アンモニア吸着量が求められる。

ＳＣＲ触媒において消費されるアンモニアの量は、ＮＯ_Ｘ流入量とＮＯ_Ｘ浄化率とをパラメータとして演算される。その際のＮＯ_Ｘ流入量としては、上記したＮＯ_Ｘ流入量演算値が用いられる。また、ＮＯ_Ｘ浄化率は、排気浄化装置の異常診断処理に用いられるＮＯ_Ｘ浄化率と同様の方法によって求められてもよいが、ＳＣＲ触媒へ流入する排気の流量（単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総和）とＳＣＲ触媒の温度とをパラメータとして推定されてもよい。たとえば、アンモニア消費量の演算に用いられるＮＯ_Ｘ浄化率は、図５に示すような関係に基づいて推定されてもよい。図５は、排気の流量（単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総和）と、ＳＣＲ触媒の温度と、ＮＯ_Ｘ浄化率との関係を示す図である。ＮＯ_Ｘ浄化率は、排気流量が多くなるほど小さくなり、且つＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど大きくなる（ただし、ＳＣＲ触媒の温度が上限温度（たとえば、３５０℃）を超えると、ＳＣＲ触媒の温度が高くなるほど小さくなる）傾向がある。よって、図５に示すような関係を規定したマップ又は関数を予め求めておき、そのマップ又は関数に基づいてＮＯ_Ｘ浄化率が求められてもよい。

上記したようなアンモニア吸着量の演算処理は、内燃機関１の始動後においてＥＧＲガスの還流が開始される前から開始され、その後は所定の周期で繰り返し実行されるものとする。そして、スリップ量Ａｎｈ３ｓｌｐの演算に用いられるアンモニア吸着量としては、直前の演算処理で求められた値（前回値）が用いられるものとする。

Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０３の処理で求められたアンモニアのスリップ量Ａｎｈ３ｓｌｐが所定量α以上であるか否かを判別する。ここでいう所定量αは、誤診断を招くと考えられるアンモニアのスリップ量の最小値であり、予め実験等を利用した適合処理によって求められた値である。Ｓ１０４の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、本ルーチンの処理を一旦終了する。一方、Ｓ１０４の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５の処理へ進む。

Ｓ１０５の処理では、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲガスとともに内燃機関１に吸入されるアンモニアに起因したＮＯ_Ｘ流入量の増加分△Ａｎｏｘｉｎを演算する。先ず、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０３で算出されたアンモニアのスリップ量Ａｎｈ３ｓｌｐと、排気の流量に対するＥＧＲガス量の割合と、をパラメータとして、ＥＧＲガスとともに内燃機関１に吸入されるアンモニアの量を演算する。その際、排気の流量に対するＥＧＲガス量の割合は、ＥＧＲ率とエアフローメータ１１の出力信号（吸入空気量）から演算することができる。次に、ＥＣＵ１０は、ＥＧＲガスとともに内燃機関１に吸入されるアンモニアのすべてが酸化すると仮定した場合に生成されるＮＯ_Ｘの量（ＮＯ_Ｘ流入量の増加分△Ａｎｏｘｉｎ）を演算する。

Ｓ１０６の処理では、ＥＣＵ１０は、前記増加分△ＡｎｏｘｉｎのＮＯ_ＸがＳＣＲ触媒へ流入するまでに要する時間を演算する。すなわち、ＥＣＵ１０は、第二触媒ケーシング７から流出した排気の一部がＥＧＲ通路９０、吸気通路２、及び内燃機関１を経て再び第二触媒ケーシング７へ流入するまでにかかる時間（輸送遅れ時間）を演算する。輸送遅れ時間は、第二触媒ケーシング７から流出した排気の一部が再び第二触媒ケーシング７へ流入するまでに経由する経路の長さと、前記経路の容積と、排気の流速（単位時間あたりの吸入空気量）と、をパラメータとして演算することができる。たとえば、前記経路の長さが長くなるほど、輸送遅れ時間が長くなる。前記経路の容積が大きくなるほど、輸送遅れ時間が長くなる。排気の流速が小さくなるほど、輸送遅れ時間が長くなる。なお、前記経路の長さと前記経路の容積とは固定値であるため、排気の流速と輸送遅れ時間との関係を示すマップ又は関数を求めておき、そのマップ又は関数に基づいて輸送遅れ時間を求めるようにしてもよい。その際、前記経路の長さと前記経路の容積は、内燃機関の仕様や内燃機関を搭載する車両の種類等によって異なるため、内燃機関の仕様や車両の種類等に適合するマップ又は関数を作成しておくことが望ましい。

Ｓ１０７の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０６の処理で求められた輸送遅れ時間が経過したか否かを判別する。Ｓ１０７の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、繰り返しＳ１０７の処理を実行する。一方、Ｓ１０７の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０８の処理へ進む。

Ｓ１０８の処理では、ＥＣＵ１０は、前記Ｓ１０５の処理で求められた増加分△Ａｎｏｘｉｎを利用して、ＮＯ_Ｘ流入量演算値Ａｎｏｘｉｎを補正する。すなわち、ＥＣＵ１０は、ＮＯ_Ｘ流入量演算値Ａｎｏｘｉｎと増加分△Ａｎｏｘｉｎとを加算して、実ＮＯ_Ｘ流入量に相当するＮＯ_Ｘ流入量Ａｎｏｘｉｎｒを算出する。

このようにＥＣＵ１０が図３の処理ルーチンを実行することにより、本発明に係わる補正手段が実現される。その結果、ＳＣＲ触媒をすり抜けたアンモニアの一部がＥＧＲ装置９によって内燃機関１へ導入される場合において、実ＮＯ_Ｘ流入量とＮＯ_Ｘ流入量演算値との誤差を小さくすることができる。また、補正後のＮＯ_Ｘ流入量演算値を用いてＮＯ_Ｘ浄化率を演算することにより、より正確なＮＯ_Ｘ浄化率を求めることが可能になるため、ＳＣＲ触媒の異常診断精度を高めることが可能になる。さらに、補正後のＮＯ_Ｘ流入量演算値をパラメータとして尿素水溶液の噴射量を調整することにより（本発明に係わる変更手段に相当）、実際のＮＯ_Ｘ流入量に適した量のアンモニアをＳＣＲ触媒へ供給することができ、ＳＣＲ触媒によって浄化されないＮＯ_Ｘの量を少なく抑えることができる。

したがって、本実施例の排気浄化装置の異常診断装置によれば、ＥＧＲ装置９によってアンモニアの一部が内燃機関１へ導入される場合に、ＳＣＲ触媒が正常であるにもかかわらず、ＳＣＲ触媒が異常であると誤診断されることを抑制することができる。その結果、ＳＣＲ触媒の異常診断処理の精度を高めることができる。

なお、図３に示した例では、添加弁８が尿素水溶液を噴射しており、且つＥＧＲ装置９が作動中であり、且つアンモニアのスリップ量が所定量α以上であることを条件として、ＮＯ_Ｘ流入量演算値を補正しているが、添加弁８が尿素水溶液を噴射していないときであっても、ＥＧＲ装置９が作動中であり、且つアンモニアのスリップ量が所定量α以上であれば、ＮＯ_Ｘ流入量演算値を補正してもよい。これは、ＳＣＲ触媒の温度が高い場合に有効である。すなわち、ＳＣＲ触媒の温度が高くなると、ＳＣＲ触媒に吸着していたアンモニアが該ＳＣＲ触媒から脱離するため、ＳＣＲ触媒から流出するアンモニアの量が所定量αより多くなる可能性がある。よって、添加弁８が尿素水溶液を噴射していないときであっても、ＳＣＲ触媒の温度がアンモニアの脱離を促進させる温度域にあるときは、ＳＣＲ触媒から流出するアンモニアの量に基づいてＮＯ_Ｘ流入量演算値を補正してもよい。

また、ＳＣＲ触媒の異常診断が正確に行われるようになると、尿素水溶液の異常診断処理もより正確に実行することができる。ここでいう「尿素水溶液の異常診断処理」とは、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が下限値を下回っているか否かを診断する処理である。尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が過剰に低くなると、ＳＣＲ触媒へ供給されるアンモニアの量が過少になり、ＳＣＲ触媒により浄化されないＮＯ_Ｘの量が過剰に多くなる可能性がある。また、ＳＣＲ触媒のＮＯ_Ｘ浄化率と目標値との差に基づいて、尿素水溶液の噴射量がフィードバック制御される場合は、尿素水溶液の噴射量が過剰に多くなり、尿素水溶液の消費量が過剰に多くなる可能性がある。

このような問題に対し、尿素水溶液の噴射量を目標値より増加させたときのＮＯ_Ｘ浄化率をパラメータとして、尿素水溶液の異常を診断する。たとえば、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が下限値以上であるときは、アンモニアのスリップ量が増加する。ここで、ＮＯ_Ｘセンサ１２は、排気中のＮＯ_Ｘに加え、アンモニアにも反応する特性を有する。そのため、アンモニアのスリップ量が増加した場合は、ＮＯ_Ｘセンサ１２の出力信号が大きくなる。ＮＯ_Ｘセンサ１２の出力信号が大きくなると、前記（１）の式によって求められるＮＯ_Ｘ浄化率Ｅｎｏｘが低下する。

一方、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が下限値未満であるときは、アンモニアのスリップ量が殆ど増加せず、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が増加する。その結果、ＮＯ_Ｘセンサ１２の出力信号は、変化せず、若しくは減少する。その結果、前記（１）の式によって求められるＮＯ_Ｘ浄化率Ｅｎｏｘが殆ど変化しないか、若しくは上昇する。

したがって、ＳＣＲ触媒の異常診断処理において該ＳＣＲ触媒が正常であると診断された場合に、尿素水溶液の異常診断処理が実行されれば、尿素水溶液の異常をより正確に診断することができる。

ところで、上記したような方法によって尿素水溶液の異常診断処理が実行されると、尿素水溶液が正常である場合に、ＳＣＲ触媒から流出するアンモニアの量が増加するため、それに伴って比較的多量のアンモニアが大気中へ排出される可能性がある。そこで、本実施例の排気浄化装置の異常診断装置は、ＥＧＲ装置９が非作動状態にあるときに尿素水溶液の異常診断処理を実行する場合はＥＧＲ装置９を作動（ＥＧＲ弁９１を開弁）させ、或いはＥＧＲ装置９が作動状態にあるときに尿素水溶液の異常診断処理を実行する場合はＥＧＲ率を増加させるようにした。このような方法によれば、大気中に排出されるアンモニアの量を少なく抑えつつ、尿素水溶液の異常診断処理を実行することができる。

なお、本実施例では、ＥＧＲ通路９０の基端（上流側端部）が第二触媒ケーシング７より下流の排気通路５に接続される例について述べたが、図６に示すようにＥＧＲ通路９０の基端が添加弁８と第二触媒ケーシング７の間の排気通路５に接続されてもよい。その場合は、添加弁８が尿素水溶液を噴射しており、且つＥＧＲ装置９が作動中であるときに、ＮＯ_Ｘ流入量の増加分△Ａｎｏｘｉｎは、添加弁８から噴射される尿素水溶液の量と、排気の流量に対するＥＧＲガス量の割合と、輸送遅れ時間と、をパラメータとして、演算されればよい。

１内燃機関
２吸気通路
３ターボチャージャ
４吸気絞り弁
５排気通路
６第一触媒ケーシング
７第二触媒ケーシング（排気浄化装置）
８添加弁
９ＥＧＲ装置
１０ＥＣＵ
１１エアフローメータ
１２ＮＯ_Ｘセンサ
１３アクセルポジションセンサ
１４クランクポジションセンサ
３０コンプレッサ
３１タービン
９０ＥＧＲ通路
９１ＥＧＲ弁
９２ＥＧＲクーラ

Claims

内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、
前記排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、
前記供給装置による添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるＥＧＲ装置と、
前記内燃機関の運転状態を示すパラメータを利用して、前記排気浄化装置へ流入するＮＯ_Ｘ量であるＮＯ_Ｘ流入量を演算する演算手段と、
前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量をパラメータとして、前記排気浄化装置の異常を診断する診断手段と、
前記ＥＧＲ装置により排気の一部が還流される場合において、排気とともに還流される添加剤の量に応じて、前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量を増加補正する補正手段と、
を備える排気浄化装置の異常診断装置。
請求項１において、前記ＥＧＲ装置は、前記排気浄化装置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるものであり、
前記補正手段は、前記ＥＧＲ装置により排気の一部が還流される場合であって、且つ前記排気浄化装置から添加剤が流出する場合において、排気とともに還流される添加剤の量に応じて、前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量を増加補正する排気浄化装置の異常診断装置。
請求項２において、前記補正手段は、前記排気浄化装置から流出する添加剤の量と、前記排気浄化装置から流出した排気の量に対して前記ＥＧＲ装置によって還流される排気の量の割合と、前記排気浄化装置から流出した排気の一部が吸気通路及び内燃機関を経て再び前記排気浄化装置へ流入するまでにかかる時間と、をパラメータとして、排気とともに還流される添加剤の量を演算し、その演算結果が多いときは少ないときに比べ、前記演算手段により算出されたＮＯ_Ｘ流入量を増加補正する際の補正量を大きくする排気浄化装置の異常診断装置。
請求項１乃至３において、前記補正手段が前記演算手段によって算出されたＮＯ_Ｘ流入量を増加補正する際の補正量に応じて、前記供給装置から供給される添加剤の量を変更する変更手段をさらに備える排気浄化装置の異常診断装置。