JP6911638B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、選択還元型ＮＯｘ触媒を備えた排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気浄化装置として、排気中のＮＯｘを還元して浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（所謂ＳＣＲ）を備えたものが公知である。ＮＯｘ触媒の上流側では還元剤としての尿素水が噴射され、この尿素水が加水分解されてアンモニア（ＮＨ₃）が生成される。アンモニアは、ＮＯｘ触媒上でＮＯｘと反応し、ＮＯｘを還元して浄化する。

ＮＯｘ触媒はアンモニア吸着能を有し、多くのアンモニアを吸着する程、高いＮＯｘ浄化性能を発揮する。このため、ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量を推定し、推定されたアンモニア吸着量に基づき、還元剤噴射量が制御される（例えば特許文献１参照）。

特開２０１６−３７８９３号公報

ところで、アンモニア吸着量の推定値である推定吸着量が、様々な原因により、真値から比較的大きく乖離することがある。すなわちアンモニア吸着量推定誤差の拡大が生じることがある。これをそのまま放置しておくと、好適な還元剤噴射量制御が実行されなくなり、ＮＯｘ触媒の下流側にＮＯｘが流出するＮＯｘスリップが起こったり、ＮＯｘ触媒の下流側にアンモニアが流出するアンモニアスリップが起こったりして、排ガス性能が悪化する。

そこで、本発明は、上記事情に鑑みて創案され、その目的は、アンモニア吸着量推定誤差の拡大を早期に検出し得る内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

本発明の一の態様によれば、
排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の上流側の前記排気通路に設けられた還元剤噴射弁と、
前記ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量の推定値である推定吸着量を算出する推定部と、
前記推定部によって算出された推定吸着量に基づき、前記還元剤噴射弁から噴射される還元剤噴射量を制御する制御部と、
前記推定部によって算出された推定吸着量が正常か否かを判定する判定部と、
を備え、
前記判定部は、前記還元剤噴射量に相当する第１アンモニア量と、前記ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの還元に必要な還元剤量に相当する第２アンモニア量との差の積算値に基づいて判定閾値を算出し、推定吸着量を判定閾値と比較して推定吸着量が正常か否かを判定する
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

好ましくは、前記判定部は、還元剤噴射の実行時と非実行時とで判定閾値を変更する。

好ましくは、前記判定部は、還元剤噴射の実行時には算出した判定閾値を推定吸着量の上限値として用い、還元剤噴射の非実行時には算出した判定閾値を推定吸着量の下限値として用いる。

好ましくは、前記判定部は、還元剤噴射の実行時には積算値より所定の第１余裕値だけ大きい値を判定閾値とし、還元剤噴射の非実行時には積算値より所定の第２余裕値だけ小さい値を判定閾値とする。

本発明によれば、アンモニア吸着量推定誤差の拡大を早期に検出することができる。

内燃機関の構成を示す概略図である。 ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着特性を示すグラフである。 補正係数を算出するためのマップを示す。 尿素水噴射量に対する各量の関係を示すグラフである。 本実施形態の診断方法を示す概略図である。 積算値差分の算出方法を説明するためのタイムチャートである。 判定ルーチンのフローチャートである。

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態を説明する。但し本発明は以下の実施形態に限定されない点に留意されたい。

図１は、本実施形態の排気浄化装置が適用された内燃機関を示す。内燃機関（エンジンともいう）１は、車両（図示せず）に搭載された多気筒エンジンである。本実施形態において、車両はトラック等の大型車両であり、これに搭載される車両動力源としてのエンジン１は直列４気筒ディーゼルエンジンである。しかしながら、車両および内燃機関の種類、形式、用途等に特に限定はなく、例えば車両は乗用車等の小型車両であってもよいし、エンジン１はガソリンエンジンであってもよい。

エンジン１は、エンジン本体２と、エンジン本体２に接続された吸気通路３および排気通路４と、ターボチャージャ１４と、燃料噴射装置５とを備える。エンジン本体２は、シリンダヘッド、シリンダブロック、クランクケース等の構造部品と、その内部に収容されたピストン、クランクシャフト、バルブ等の可動部品とを含む。

燃料噴射装置５は、コモンレール式燃料噴射装置からなり、各気筒に設けられた燃料噴射弁すなわちインジェクタ７と、インジェクタ７に接続されたコモンレール８とを備える。インジェクタ７は、シリンダ９内すなわち燃焼室内に燃料を直接噴射する筒内インジェクタである。コモンレール８は、インジェクタ７から噴射される燃料を高圧状態で貯留する。

吸気通路３は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された吸気マニホールド１０と、吸気マニホールド１０の上流端に接続された吸気管１１とにより主に画成される。吸気マニホールド１０は、吸気管１１から送られてきた吸気を各気筒の吸気ポートに分配供給する。吸気管１１には、上流側から順に、エアクリーナ１２、エアフローメータ１３、ターボチャージャ１４のコンプレッサ１４Ｃ、インタークーラ１５、および電子制御式の吸気スロットルバルブ１６が設けられる。エアフローメータ１３は、エンジン１の単位時間当たりの吸入空気量すなわち吸気流量を検出するためのセンサであり、マスエアフロー（ＭＡＦ）センサ等とも称される。

排気通路４は、エンジン本体２（特にシリンダヘッド）に接続された排気マニホールド２０と、排気マニホールド２０の下流側に接続された排気管２１とにより主に画成される。排気マニホールド２０は、各気筒の排気ポートから送られてきた排気ガスを集合させる。排気管２１、もしくは排気マニホールド２０と排気管２１の間には、ターボチャージャ１４のタービン１４Ｔが設けられる。タービン１４Ｔより下流側の排気通路４には、上流側から順に、酸化触媒２２、フィルタ２３、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ）２４およびアンモニア酸化触媒２６が設けられる。これらは排気後処理を実行する後処理部材をなす。フィルタ２３とＮＯｘ触媒２４の間の排気通路４には、還元剤としての尿素水を排気通路４内に噴射する還元剤噴射弁としての尿素インジェクタ２５が設けられる。

酸化触媒２２は、排気中の未燃成分（炭化水素ＨＣおよび一酸化炭素ＣＯ）を酸化して浄化すると共に、このときの反応熱で排気ガスを加熱昇温する。フィルタ２３は、所謂連続再生式ディーゼルパティキュレートフィルタであり、排気中に含まれる粒子状物質（ＰＭとも称す）を捕集すると共に、その捕集したＰＭを貴金属と反応させて連続的に燃焼除去する。フィルタ２３には、ハニカム構造の基材の両端開口を互い違いに市松状に閉塞した所謂ウォールフロータイプのものが用いられる。

ＮＯｘ触媒２４は、尿素インジェクタ２５から噴射された尿素水を加水分解して得られるアンモニアを、排気中のＮＯｘと反応させて、ＮＯｘを還元浄化する。ＮＯｘ触媒２４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。アンモニア酸化触媒２６は、ＮＯｘ触媒２４から排出された余剰アンモニアを酸化して浄化する。

エンジン１はＥＧＲ装置３０をも備える。ＥＧＲ装置３０は、排気通路４内（特に排気マニホールド２０内）の排気ガスの一部（ＥＧＲガスという）を吸気通路３内（特に吸気マニホールド１０内）に還流させるためのＥＧＲ通路３１と、ＥＧＲ通路３１を流れるＥＧＲガスを冷却するＥＧＲクーラ３２と、ＥＧＲガスの流量を調節するためのＥＧＲ弁３３とを備える。ＥＧＲ装置３０は外部ＥＧＲを実行するためのものである。

また、本実施形態は、それぞれ排気通路４に設けられた電子制御式の排気スロットルバルブ３７と、排気インジェクタ３８とを備える。本実施形態において、これらはタービン１４Ｔと酸化触媒２２の間の排気通路４に設けられ、排気スロットルバルブ３７より下流側に排気インジェクタ３８が配置される。但しこれらの設置位置は変更可能である。排気スロットルバルブ３７は排気流量を調節するためのバルブである。排気インジェクタ３８は、主にフィルタ２３の再生時に排気通路４内に燃料を噴射するためのインジェクタである。

このエンジン１を制御するための制御装置が車両に搭載されている。制御装置は、制御ユニットもしくはコントローラをなす電子制御ユニット（ＥＣＵと称す）１００を有する。ＥＣＵ１００はＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートおよび記憶装置等を含む。ＥＣＵ１００は、筒内インジェクタ７、吸気スロットルバルブ１６、尿素インジェクタ２５、ＥＧＲ弁３３、排気スロットルバルブ３７および排気インジェクタ３８を制御するように構成され、プログラムされている。なお特に断らない限り、吸気スロットルバルブ１６および排気スロットルバルブ３７は全開に制御されているものとする。

制御装置は、以下のセンサ類も有する。このセンサ類に関して、上述のエアフローメータ１３の他、エンジンの回転速度、具体的には毎分当たりの回転数（ｒｐｍ）を検出するための回転速度センサ４０と、アクセル開度を検出するためのアクセル開度センサ４１とが設けられる。また、酸化触媒２２、フィルタ２３およびＮＯｘ触媒２４の上流側入口部には排気温度を検出するための排気温センサ４２，４３，４４が設けられている。また、ＮＯｘ触媒２４の下流側出口部には排気温度を検出するための排気温センサ４６が設けられている。また、フィルタ２３の入口部および出口部の排気圧の差圧を検出するための差圧センサ４５が設けられている。

また、ＮＯｘ触媒２４の上流側入口部と下流側出口部には、それぞれ、排気中のＮＯｘを検出するための上流側ＮＯｘセンサ４７および下流側ＮＯｘセンサ４８が設けられている。これらＮＯｘセンサ４７，４８は、排気ガスのＮＯｘ濃度に相関した出力を発する。但しＮＯｘセンサ４７，４８はアンモニアも検出可能である。上流側ＮＯｘセンサ４７は尿素インジェクタ２５よりも上流側に設けられている。以上のセンサ類の出力信号はＥＣＵ１００に送られる。

次に、ＥＣＵ１００により実行される制御の内容について説明する。

まず、尿素インジェクタ２５から噴射される尿素水噴射量の制御の概要を説明する。尿素水噴射量Ｍは、概して後述する第１噴射量ＭＡと第２噴射量ＭＢと第３噴射量ＭＣの和として表され、式：Ｍ＝ＭＡ＋ＭＢ＋ＭＣで表される。そしてＥＣＵ１００は、尿素水噴射量Ｍを算出すると共に、算出された尿素水噴射量Ｍに等しい量の尿素水を尿素インジェクタ２５から噴射させる。

第一に、ＮＯｘ触媒２４に流入するＮＯｘ量（流入ＮＯｘ量）に見合った第１噴射量ＭＡが算出される。流入ＮＯｘ量は、上流側ＮＯｘセンサ４７により検出されたＮＯｘ濃度と排気ガス流量の積で表される。排気ガス流量は、エアフローメータ１３により検出された吸入空気量の値に基づいて算出される。例えば排気ガス流量は吸入空気量の値に等しい値として算出される。流入ＮＯｘ量と第１噴射量ＭＡとの間の予め定められた関係、具体的にはマップ（関数でもよい。以下同様）が、ＥＣＵ１００に記憶され、ＥＣＵ１００はこのマップを参照して流入ＮＯｘ量に対応した第１噴射量ＭＡを算出する。ここでは、流入ＮＯｘを還元浄化するのに必要な最小限の噴射量、言い換えれば流入ＮＯｘ量に対し当量比が１となるような噴射量が第１噴射量ＭＡとして算出される。

なお、上流側ＮＯｘセンサ４７は排気通路４のより上流側の位置に設けられてもよい。また流入ＮＯｘ量は、エンジン運転状態（例えばエンジン回転数と筒内インジェクタ７の燃料噴射量）に基づいてＥＣＵ１００により推定してもよい。また排気ガス流量は、排気通路４に設けられた流量センサにより直接検出してもよい。

第二に、ＮＯｘ触媒２４のアンモニア吸着量を目標吸着量に近づけるための第２噴射量ＭＢが算出される。すなわち、ＮＯｘ触媒２４はアンモニア吸着能を有し、多くのアンモニアを吸着する程、高いＮＯｘ浄化性能を発揮する。このため、ＮＯｘ触媒２４のアンモニア吸着量が推定されると共に、この推定吸着量と目標吸着量の差分に基づき、還元剤噴射量が制御される。アンモニア吸着量を推定する理由は、それを実測するのが困難だからである。

図２には、ＮＯｘ触媒２４のアンモニア吸着特性を示す。線ａは、実験等を通じて把握されるアンモニア吸着量の上限値もしくは吸着限界を示し、この上限値は、ＮＯｘ触媒２４の触媒温度が高くなる程、低くなる傾向がある。なお、実際のアンモニア吸着量が上限値のときにアンモニアが供給されると、そのアンモニアはＮＯｘ触媒２４に吸着できないので、ＮＯｘ触媒２４の下流側に流出し、アンモニアスリップを生じさせる。

線ａより所定のマージンだけ低吸着量側の目標値が線ｂの如く定められ、この線ｂがマップの形でＥＣＵ１００に記憶されている。

ＥＣＵ１００は、排気温センサ４４，４６の少なくとも一方の検出値に基づきＮＯｘ触媒２４の触媒温度を推定する。例えば、いずれか一方の検出値を触媒温度とみなしてもよいし、両方の検出値の平均値を触媒温度とみなしてもよい。そして推定した触媒温度（図２のＴｃ１）に対応したアンモニア吸着量の目標値Ｗｔ（図２のｃ点の値）をマップから算出する。なお触媒温度は直接検出してもよい。推定および検出を総称して取得という。

この目標吸着量Ｗｔと推定吸着量Ｗｅの差分ΔＷが式：ΔＷ＝Ｗｔ−Ｗｅにより求められ、この差分ΔＷに応じた第２噴射量ＭＢが算出される。差分ΔＷが大きい程、大きな第２噴射量ＭＢが算出される。

例えば図２のｄ点のように、推定吸着量Ｗｅが目標吸着量Ｗｔよりも少ない場合、差分ΔＷが正であるため、噴射量増大側の正の第２噴射量ＭＢが算出され、この第２噴射量ＭＢが噴射されることにより、推定吸着量Ｗｅが増大し、目標吸着量Ｗｔに徐々に近づいていく。他方、例えば図２のｅ点のように、推定吸着量Ｗｅが目標吸着量Ｗｔよりも多い場合、差分ΔＷが負であるため、ゼロまたは負の第２噴射量ＭＢが算出される。これにより、ＮＯｘ触媒２４に吸着したアンモニアがＮＯｘの還元に消費され、推定吸着量Ｗｅが減少し、目標吸着量Ｗｔに徐々に近づいていく。

アンモニア吸着量の推定方法について、本実施形態では、ＮＯｘ触媒２４におけるアンモニアとＮＯｘの反応を表す化学反応式に基づいて数学モデルを構築し、当該モデルに基づいてアンモニア吸着量をＥＣＵ１００により精度良く推定するようになっている。この際、ＥＣＵ１００は、尿素水噴射量Ｍ、ＮＯｘ触媒２４の触媒温度、排気ガス流量、上下流側ＮＯｘセンサ４７，４８の検出値、エンジン運転状態を表すエンジンパラメータ（エンジン回転数、燃料噴射量等）等のパラメータに基づいて、アンモニア吸着量を推定する。

第三に、ＮＯｘ触媒２４から流出したＮＯｘ量（流出ＮＯｘ量）に見合った第３噴射量ＭＣが算出される。具体的には、下流側ＮＯｘセンサ４８の出力（センサ出力）Ｖが所定の上限値Ｖｕｐ以下のときには、流出ＮＯｘ量が許容範囲内であるとして、ゼロの第３噴射量ＭＣが算出される。他方、センサ出力Ｖが上限値Ｖｕｐを超えたときには、流出ＮＯｘ量が許容範囲外であるため、尿素水噴射量を増やして流出ＮＯｘ量を抑制すべく、正の第３噴射量ＭＣが算出される。

このとき、センサ出力Ｖと上限値Ｖｕｐの差分ΔＶ（＝Ｖ−Ｖｕｐ）が算出され、この差分ΔＶに応じた第３噴射量ＭＣが算出される。こうして尿素水噴射量Ｍは、センサ出力Ｖに基づきフィードバック制御あるいはフィードバック補正されることとなる。

ここで本実施形態では、第３噴射量ＭＣは補正係数Ｋ（≧１）によって表される。つまり前式Ｍ＝ＭＡ＋ＭＢ＋ＭＣは本実施形態の場合、Ｍ＝Ｋ×ＭＡ＋ＭＢ（＝ＭＡ＋ＭＢ＋（Ｋ−１）×ＭＡ）で表され、ＭＣ＝（Ｋ−１）×ＭＡとされる。図３に示すようなマップがＥＣＵ１００に記憶され、差分ΔＶがゼロから大きくなる程、１より大きな補正係数Ｋが算出される。また差分ΔＶがリミット値ΔＶ１（＞０）以上になったとき、補正係数Ｋはその上昇が抑制されてリミット値Ｋ１（＞１）に制限される。差分ΔＶがゼロ以下のとき補正係数Ｋは１である。

センサ出力Ｖが上限値Ｖｕｐを超えたとき、差分ΔＶに応じた補正係数Ｋ（＞１）が算出され、ベース噴射量である第１噴射量ＭＡが補正係数Ｋによって増量補正され、その結果、尿素水噴射量Ｍが増量補正される。

なお、ここでは単純なフィードバック制御の例を示したが、フィードバック制御は周知のＰＩＤ制御等の手法を用いたより複雑なものであってもよい。また差分ΔＶに応じて第１噴射量ＭＡと無関係な加算項である第３噴射量ＭＣを算出し、式Ｍ＝ＭＡ＋ＭＢ＋ＭＣにより尿素水噴射量Ｍを算出してもよい。また尿素水噴射量Ｍは、他の補正量（例えば尿素水温度補正量、尿素濃度補正量等）によって補正されるため、第１〜第３噴射量ＭＡ〜ＭＣの和に近似するものの必ずしも一致しない。

ところで、下流側ＮＯｘセンサ４８は、ＮＯｘだけでなく、アンモニアも検出可能であり、両者を区別して検出できない。このため、尿素水噴射量に対するＮＯｘ触媒下流側の流出ＮＯｘ量と、下流側ＮＯｘセンサ４８のセンサ出力と、ＮＯｘ触媒下流側に流出したアンモニア量（流出アンモニア量）との関係は、図４に示すようになる。

図の左端付近のように、尿素水噴射量が比較的少なく流入ＮＯｘ量に対して不足する場合、ＮＯｘ触媒２４が流入ＮＯｘを全て還元できないため、ＮＯｘ触媒下流側にＮＯｘが流出するＮＯｘスリップが起こる。そして流出ＮＯｘ量は多くなり、ＮＯｘセンサ出力も大きくなる。そして尿素水噴射量が増加するにつれ、尿素水噴射量が流入ＮＯｘ量に対して徐々に見合うようになって行くため、流出ＮＯｘ量が徐々に減少し、ＮＯｘセンサ出力も徐々に減少する。

しかし、更に尿素水噴射量を増加すると、尿素水噴射量が流入ＮＯｘ量に対して過剰となり、ＮＯｘ触媒２４から余剰のアンモニアが流出するアンモニアスリップが起こる。尿素水噴射量を増加するにつれ、流出アンモニア量も増加する。ＮＯｘセンサ４８はこのアンモニアを検出するため、尿素水噴射量を増加するにつれ、ＮＯｘセンサ出力は徐々に増加していくこととなる。

ＮＯｘスリップとアンモニアスリップがバランスするバランス点、すなわち、流出ＮＯｘ量と流出アンモニア量の両者をできるだけ最小化できる尿素水噴射量の値を図中Ｍｈで示す。Ｍｈより小噴射量側をＮＯｘスリップ領域、Ｍｈより大噴射量側をアンモニアスリップ領域とする。

ＮＯｘセンサ出力は、バランス点で極小値となる曲線を描く。よって、ＮＯｘセンサ出力のみによっては、ＮＯｘセンサ出力がＮＯｘスリップ領域にあるのか（ＮＯｘスリップが起こっているのか）、アンモニアスリップ領域にあるのか（アンモニアスリップが起こっているのか）を判別することができない。このため従来は、尿素水噴射量を強制的に増加または減少し、それに応じてＮＯｘセンサ出力が大小どちら側に変化するかを検出し、その結果に基づいて、ＮＯｘセンサ出力がいずれの領域にあるかを判別している。

例えば、尿素水噴射量を増量したときにＮＯｘセンサ出力が減少した場合はＮＯｘスリップ領域にある（ＮＯｘスリップが起こっている）と判定し、尿素水噴射量を増量したときにＮＯｘセンサ出力が増加した場合はアンモニアスリップ領域にある（アンモニアスリップが起こっている）と判定する。

さて、前述したように、ＥＣＵ１００により算出された推定吸着量Ｗｅの値が、様々な原因により、真値から比較的大きく乖離することがある。すなわちアンモニア吸着量推定誤差の拡大が生じることがある。その原因としては例えば、尿素インジェクタ２５の一時的固着、ＮＯｘ浄化率が不安定な低排気温域でのエンジンの長時間運転等がある。こうした推定誤差拡大をそのまま放置しておくと、好適な還元剤噴射量制御が実行されなくなり、ＮＯｘスリップが起こったり、アンモニアスリップが起こったりして、排ガス性能が悪化する。

そこで本実施形態では、アンモニア吸着量推定誤差の拡大を早期に検出するため、以下に述べるような自己診断（ＯＢＤ：On-Board Diagnostics）をＥＣＵ１００により実施する。

ＥＣＵ１００は、推定吸着量Ｗｅと比較する判定閾値Ｔｈを以下の手順により算出する。そして推定吸着量Ｗｅを、算出した判定閾値Ｔｈと比較し、その比較結果に応じて推定吸着量Ｗｅが正常か異常かを判定する。

判定閾値Ｔｈの算出に際してはまず、尿素水噴射量Ｍに相当する第１アンモニア量Ｕが算出される。第１アンモニア量Ｕは、尿素水噴射量Ｍから得られるアンモニア量であり、両者の関係を予め記憶したマップから尿素水噴射量Ｍに基づいて算出される。

次に、第１噴射量ＭＡに相当する第２アンモニア量ＵＡが算出される。第２アンモニア量ＵＡも、第１噴射量ＭＡから得られるアンモニア量であり、両者の関係を予め記憶したマップから第１噴射量ＭＡに基づいて算出される。

第１アンモニア量Ｕと第２アンモニア量ＵＡの差ΔＵ（＝Ｕ−ＵＡ）が算出され、この差ΔＵが積算されて、積算値Ｓ＝ΣΔＵが算出される。この積算値Ｓに基づいて判定閾値Ｔｈが算出される。

図５に示すように、判定閾値Ｔｈには、尿素水噴射実行時の判定閾値ＴｈＨと、尿素水噴射非実行時（停止時）の判定閾値ＴｈＬとの二種類がある。ＥＣＵ１００は、尿素水噴射の実行時と非実行時とで判定閾値Ｔｈを変更し、尿素水噴射実行時には判定閾値ＴｈＨを、尿素水噴射非実行時には判定閾値ＴｈＬを用いる。

特にＥＣＵ１００は、尿素水噴射実行時には、判定閾値ＴｈＨを推定吸着量の上限値として用い、尿素水噴射非実行時には判定閾値ＴｈＬを推定吸着量の下限値として用いる。以下、判定閾値ＴｈＨを上限判定閾値ともいい、判定閾値ＴｈＬを下限判定閾値ともいう。

ＥＣＵ１００は、尿素水噴射実行時には、積算値Ｓより所定の第１余裕値だけ大きい値を上限判定閾値ＴｈＨとし、還元剤噴射の非実行時には、積算値Ｓより所定の第２余裕値だけ小さい値を下限判定閾値ＴｈＬとする。第１余裕値は、ゼロ以上のα１で表され、上限判定閾値ＴｈＨは式：ＴｈＨ＝Ｓ＋α１から算出される。第２余裕値は、ゼロ以下のα２の絶対値で表され、下限判定閾値ＴｈＬは式：ＴｈＬ＝Ｓ＋α２から算出される。

尿素水噴射実行時には、推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨと比較される。推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨ以下のときには推定吸着量Ｗｅが正常と判定され、推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨより大きいときには推定吸着量Ｗｅが異常と判定される。

他方、尿素水噴射非実行時には、推定吸着量Ｗｅが下限判定閾値ＴｈＬと比較される。推定吸着量Ｗｅが下限判定閾値ＴｈＬ以上のときには推定吸着量Ｗｅが正常と判定され、推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨより小さいときには推定吸着量Ｗｅが異常と判定される。

上述の差ΔＵは、ＮＯｘ触媒２４に供給された全アンモニア量から、流入ＮＯｘの還元に使用されたアンモニア量を差し引いた値である。これは、尿素水噴射実行時には、ＮＯｘ触媒２４に吸着可能な単位時間当たりのアンモニア量の最大値を意味すると考えられる。一方、尿素水噴射実行時には、推定吸着量Ｗｅおよび積算値Ｓが上昇傾向にある。よって積算値Ｓに基づいて算出された上限判定閾値ＴｈＨは、概ね、推定吸着量の上限値を定める値として好適と考えられる。そこで本実施形態では、積算値Ｓに基づいて上限判定閾値ＴｈＨを算出すると共に、推定吸着量Ｗｅを上限判定閾値ＴｈＨと比較し、推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨより大きいときには推定吸着量Ｗｅを異常と判定する。これにより、アンモニア吸着量推定誤差の拡大を早期に検出することができる。

他方、尿素水噴射非実行時には、ＮＯｘ触媒２４に供給される全アンモニア量がゼロであることから、差ΔＵは、ＮＯｘ触媒２４から脱離可能な単位時間当たりのアンモニア量の最大値を意味すると考えられる。尿素水噴射非実行時には、推定吸着量Ｗｅおよび積算値Ｓが低下傾向にある。よって積算値Ｓに基づいて算出された下限判定閾値ＴｈＬは、概ね、推定吸着量の下限値を定める値として好適と考えられる。そこで本実施形態では、積算値Ｓに基づいて下限判定閾値ＴｈＬを算出すると共に、推定吸着量Ｗｅを下限判定閾値ＴｈＬと比較し、推定吸着量Ｗｅが下限判定閾値ＴｈＬより小さいときには推定吸着量Ｗｅを異常と判定する。これによっても、アンモニア吸着量推定誤差の拡大を早期に検出することができる。

第１余裕値α１および第２余裕値α２は、診断の安定性を高めるため、絶対的な基準である積算値Ｓに対し若干異常側に判定閾値Ｔｈをずらすために定められた値である。第１余裕値α１および第２余裕値α２は、それぞれ一定値であってもよいが、ここでは診断精度を高めるため、各状態量に応じて可変設定される。

図６において、実線は尿素水噴射実行時の積算値Ｓの変化を示し、破線は尿素水噴射非実行時の積算値Ｓの変化を示す。横軸は時間ｔであり、ｔ＝ｎは今回（現在）の演算時期、ｔ＝ｎ−１は前回（所定時間前）の演算時期を示す。τは演算時期の間隔すなわち演算周期（例えば１０ｍｓｅｃ）を示す。例えば尿素水噴射実行時、ＥＣＵ１００は次のように第１余裕値α１を設定する。

図６に実線で示すように、まず、今回の積算値Ｓ_nと前回の積算値Ｓ_n-1の差である積算値差分ΔＳ_n＝Ｓ_n−Ｓ_n-1が算出される。積算値差分ΔＳ_nは、現在の積算値Ｓの単位時間当たりの上昇率または上昇速度と言い換えることもできる。次に、積算値差分ΔＳ_nを補正するための補正係数Ｆ１が、排気温度、排気ガス流量等のパラメータに基づいて算出される。排気温度には排気温センサ４４の検出値が用いられ、排気ガス流量には吸入空気量の値に基づいて算出された値が用いられる。この補正係数Ｆ１の算出にはＥＣＵ１００に記憶されたマップが用いられる。最後に、積算値差分ΔＳ_nに補正係数Ｆ１を乗じて第１余裕値α１が算出される。第１余裕値α１は、積算値Ｓが上昇している場合は正の値とされ、それ以外の場合は０以上の値とされる。

なお、補正係数Ｆ１を乗じる代わりに、補正量を加算して積算値差分ΔＳ_nを補正してもよい。また積算値差分ΔＳ_nは、演算周期τより長い時間間隔での積算値Ｓの差であってもよい。

次に、尿素水噴射非実行時における第２余裕値α２の設定方法を説明する。この設定方法は、第１余裕値α１の設定方法と大略同様である。

図６に破線で示すように、まず、今回の積算値Ｓ_nと前回の積算値Ｓ_n-1の差である積算値差分ΔＳ_n＝Ｓ_n−Ｓ_n-1が算出される。積算値Ｓが下降している場合には負の積算値差分ΔＳ_nが算出される。次に、積算値差分ΔＳ_nを補正するための補正係数Ｆ２が前記同様に算出される。積算値差分ΔＳ_nに補正係数Ｆ２を乗じて第２余裕値α２が算出される。第２余裕値α２は、積算値Ｓが下降している場合は負の値とされ、それ以外の場合は０以下の値とされる。

なお、補正係数Ｆ２を乗じる代わりに、補正量を加算して積算値差分ΔＳ_nを補正してもよい。

次に、図７を参照して、本実施形態の判定ルーチンを説明する。図示するルーチンはＥＣＵ１００により所定の演算周期τ（例えば１０ｍｓｅｃ）毎に繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、尿素水噴射量Ｍに基づき、これに相当する第１アンモニア量Ｕが算出される。ステップＳ１０２では、第１噴射量ＭＡに基づき、これに相当する第２アンモニア量ＵＡが算出される。

ステップＳ１０３では、１アンモニア量Ｕと第２アンモニア量ＵＡの差ΔＵ（＝Ｕ−ＵＡ）が算出され、ステップＳ１０４では、この差ΔＵが積算されて、積算値Ｓ＝ΣΔＵが算出される。

ステップＳ１０５では、尿素水噴射実行時であるか否かが判断される。実行時である場合はステップＳ１０６に進み、実行時でない場合すなわち非実行時である場合はステップＳ１１０に進む。

実行時である場合、ステップＳ１０６において、尿素水噴射実行時の判定閾値である上限判定閾値ＴｈＨが式：ＴｈＨ＝Ｓ＋α１から算出される。

そしてステップＳ１０７において、推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨより大きいか否かが判断される。

推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨ以下の場合（Ｗｅ≦ＴｈＨ）、ステップＳ１０８に進んで、推定吸着量Ｗｅは正常と判定され、ルーチンが終了される。

他方、推定吸着量Ｗｅが上限判定閾値ＴｈＨより大きい場合（Ｗｅ＞ＴｈＨ）、ステップＳ１０９に進んで、推定吸着量Ｗｅは異常と判定され、ルーチンが終了される。なお異常と判定した場合、例えば、推定吸着量Ｗｅを正常値に戻すのに必要な措置を施したり、あるいは、図示しない警告装置（チェックランプ等）を起動させ、ユーザーに点検整備を促したりするのが好ましい。これにより、排ガス性能の悪化を抑制することができる。

他方、尿素水噴射非実行時である場合、ステップＳ１１０において、尿素水噴射非実行時の判定閾値である下限判定閾値ＴｈＬが式：ＴｈＬ＝Ｓ＋α２から算出される。

そしてステップＳ１１１において、推定吸着量Ｗｅが下限判定閾値ＴｈＬより小さいか否かが判断される。

推定吸着量Ｗｅが下限判定閾値ＴｈＬ以上の場合（Ｗｅ≧ＴｈＬ）、ステップＳ１１２に進んで、推定吸着量Ｗｅは正常と判定され、ルーチンが終了される。

他方、推定吸着量Ｗｅが下限判定閾値ＴｈＬより小さい場合（Ｗｅ＜ＴｈＬ）、ステップＳ１１３に進んで、推定吸着量Ｗｅは異常と判定され、ルーチンが終了される。

以上述べたように、本実施形態では、尿素水噴射量Ｍに相当する第１アンモニア量Ｕと、ＮＯｘ触媒２４に流入するＮＯｘの還元に必要な第１噴射量ＭＡに相当する第２アンモニア量ＵＡとの差ΔＵの積算値Ｓに基づいて判定閾値ＴｈＨ，ＴｈＬを算出し、推定吸着量Ｗｅを判定閾値ＴｈＨ，ＴｈＬと比較して推定吸着量Ｗｅが正常か否かを判定する。このため、アンモニア吸着量推定誤差の拡大を早期に検出することができる。

また本実施形態では、尿素水噴射の実行時と非実行時とで判定閾値を変更するので、判定閾値を適切に設定でき、診断精度を高めることができる。

また本実施形態では、尿素水噴射の実行時には算出した上限判定閾値ＴｈＨを推定吸着量の上限値として用い、尿素水噴射の非実行時には算出した下限判定閾値ＴｈＬを推定吸着量の下限値として用いる。このため、推定吸着量の上昇傾向および下降傾向に合わせて適切に上限値および下限値を定めることができ、これによっても判定閾値を適切に設定し、診断精度を高められる。

また本実施形態では、尿素水噴射の実行時には積算値Ｓより所定の第１余裕値α１だけ大きい値を上限判定閾値ＴｈＨとし、尿素水噴射の非実行時には積算値Ｓより所定の第２余裕値|α２|だけ小さい値を下限判定閾値ＴｈＬとする。このため、診断の安定性を高めることができ、誤診断を抑制することができる。

なお、従来方法に倣い、ＮＯｘセンサ出力が増大したとき尿素水噴射量を強制的に増加または減少し、それに応じたＮＯｘセンサ出力の変化の仕方に応じてＮＯｘスリップおよびアンモニアスリップのいずれが起こっているのかを判定することが可能である。そして、起こっている一方のスリップがアンモニア吸着量推定誤差の拡大に起因するものとして、推定吸着量の異常を判定することが考えられる。しかし、この方法だと、ＮＯｘスリップおよびアンモニアスリップのいずれが起こっているのかを判定するまでに比較的長時間を要するため、推定吸着量の異常を早期に検出することができない。これに対し、本実施形態の場合だと、判定閾値Ｔｈの算出と、推定吸着量Ｗｅおよび判定閾値Ｔｈの比較とを常時行っているため、推定吸着量の異常を早期に検出することが可能である。

上記の説明で理解されるように、本実施形態のＥＣＵ１００は特許請求の範囲にいう推定部、制御部および判定部に相当する。

以上、本発明の実施形態を詳細に述べたが、本発明は他にも様々な実施形態が可能である。

（１）例えば前記実施形態では、推定吸着量Ｗｅと判定閾値Ｔｈの比較結果に応じて推定吸着量Ｗｅを異常と判定したが、仮に推定吸着量Ｗｅが、下流側ＮＯｘセンサ４８のセンサ出力に基づくフィードバック制御の結果に基づいて算出されるのであれば、代替的または付加的に、フィードバック制御の異常と判定してもよい。

（２）還元剤は、同等の機能を有するのであれば、尿素水以外のものであってもよい。

（３）可能であれば、第１余裕値α１および第２余裕値α２の少なくとも一方を省略してもよい。

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。

１ 内燃機関（エンジン）
４ 排気通路
２４ ＮＯｘ触媒
２５ 尿素インジェクタ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (4)

1. 排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記ＮＯｘ触媒の上流側の前記排気通路に設けられた還元剤噴射弁と、
   前記ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量の推定値である推定吸着量を算出する推定部と、
   前記推定部によって算出された推定吸着量に基づき、前記還元剤噴射弁から噴射される還元剤噴射量を制御する制御部と、
   前記推定部によって算出された推定吸着量が正常か否かを判定する判定部と、
   を備え、
   前記判定部は、前記還元剤噴射量に相当する第１アンモニア量と、前記ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの還元に必要な還元剤量に相当する第２アンモニア量との差の積算値に基づいて判定閾値を算出し、推定吸着量を判定閾値と比較して推定吸着量が正常か否かを判定する
   ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記判定部は、還元剤噴射の実行時と非実行時とで判定閾値を変更する
   請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記判定部は、還元剤噴射の実行時には算出した判定閾値を推定吸着量の上限値として用い、還元剤噴射の非実行時には算出した判定閾値を推定吸着量の下限値として用いる
   請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記判定部は、還元剤噴射の実行時には積算値より所定の第１余裕値だけ大きい値を判定閾値とし、還元剤噴射の非実行時には積算値より所定の第２余裕値だけ小さい値を判定閾値とする
   請求項１〜３のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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