JP7113721B2 - 診断装置及び診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に備えられたＮＯ_Xセンサの診断を行う診断装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気ガスに含まれるＮＯ_X（窒素酸化物）を分解して排気ガスを浄化するための装置として、尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが実用化されている。尿素ＳＣＲシステムでは、還元剤として尿素水溶液が用いられる。尿素ＳＣＲシステムは、尿素水溶液が分解することにより生成されるアンモニアを排気ガス中のＮＯ_Xと反応させることによりＮＯ_Xを分解する。

尿素ＳＣＲシステムは、排気通路に配設された選択還元触媒と、選択還元触媒よりも上流側の排気通路に尿素水溶液を噴射するための還元剤供給装置とを備える。選択還元触媒は、アンモニアを吸着し、流入する排気ガス中のＮＯ_Xとアンモニアとの還元反応を促進する。還元剤供給装置は、貯蔵タンク内に貯蔵された尿素水溶液を圧送するポンプと、ポンプにより圧送される尿素水溶液を噴射する噴射弁とを備え、制御装置によって駆動制御が行われて、尿素水溶液を排気通路内に噴射する。

尿素ＳＣＲシステムにおいて、選択還元触媒よりも上流側の排気通路に、内燃機関から排出される排気中のＮＯ_X濃度を計測するためのＮＯ_Xセンサが備えられる場合がある。かかるＮＯ_Xセンサにより計測されるＮＯ_X濃度は、尿素水溶液の目標噴射量の算出に用いられる。ＮＯ_Xセンサによる計測値と実際のＮＯ_X濃度とのずれが大きいと、尿素水溶液の噴射量に過不足を生じ、ＮＯ_Xあるいはアンモニアが選択還元触媒の下流側に流出するおそれがある。

特許文献１には、ＮＯ_Xセンサの合理性診断を行う技術が開示されている。特許文献１に記載されたＮＯ_Xセンサの合理性診断では、内燃機関の運転状態が、排気中のＮＯ_X濃度がゼロに近い運転状態となった場合に、ＮＯ_Xセンサの診断が実行される。

特開２０１７－１３３３９４号公報

ところで、排気流量が多い場合、排気通路内に噴射される尿素水溶液は、噴霧の状態のまま流されるために、表面積が大きく、排気中の水分と熱により分解されやすい。また、生成されるアンモニアは、選択還元触媒へと流入してＮＯ_Xの還元に用いられる。しかしながら、排気流量が少ない場合、噴射される尿素水溶液がそのまま排気管の壁面に付着するおそれがある。尿素水溶液が排気管の壁面に付着すると、排気に接する表面積が小さくなって、分解されてアンモニアとなって流されるまでに時間を要する。

排気管の壁面に尿素水溶液が付着したまま内燃機関が停止すると、残留する排気熱によって尿素水溶液が分解されて生成されたアンモニアが選択還元触媒よりも上流側に滞留する。ＮＯ_Xセンサは、その構造上、ＮＯ_Xだけでなくアンモニアも検出するため、ＮＯ_X濃度が安定した状態であってもアンモニアが滞留している場合には、ＮＯ_Xセンサの診断を実行した際に診断結果の精度が低下するおそれがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、ＮＯ_Xセンサの診断結果の信頼性を向上可能な診断装置を提供することにある。

本発明のある観点によれば、内燃機関の排気通路内に備えられた選択還元触媒の上流側に尿素水溶液を供給し、尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元する排気浄化装置における選択還元触媒の上流側に備えられたＮＯ_Xセンサの診断を行う診断装置であって、ＮＯ_Xセンサにより計測されるＮＯ_X濃度を推定ＮＯ_X濃度と比較することによりＮＯ_Xセンサの診断を行う診断部と、排気流量と尿素水溶液の噴射量とに基づき推定される、選択還元触媒の上流側でのアンモニアの滞留状態に応じて、ＮＯ_Xセンサの診断の実行の可否を判定する判定部と、を備える診断装置が提供される。

以上説明したように本発明によれば、ＮＯ_Xセンサの診断結果の信頼性を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る診断装置を適用可能な尿素ＳＣＲシステムを示す模式図である。 ＮＯ_Xセンサの構成例を示す模式図である。 診断装置（制御装置）の構成例を示すブロック図である。 排気流量が多い場合に尿素水溶液が噴射された様子を示す説明図である。 排気流量が少ない場合に尿素水溶液が噴射された様子を示す説明図である。 尿素水溶液が排気管の壁面に付着したまま内燃機関が停止した様子を示す説明図である。 アンモニア残留濃度指標値について説明するための図である。 診断実行が許可されている場合の判定処理を示すフローチャートである。 診断実行が禁止されている場合の判定処理を示すフローチャートである。 診断処理を示すフローチャートである。 判定処理の別の例を示すフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

＜１．尿素ＳＣＲシステムの構成例＞
まず、本実施形態に係る診断装置を適用可能な排気浄化装置としての尿素ＳＣＲシステム１０の構成例について説明する。図１は、尿素ＳＣＲシステム１０の構成例を示す模式図である。

尿素ＳＣＲシステム１０は、ディーゼルエンジン等の内燃機関５の排気系に設けられる。尿素ＳＣＲシステム１０は、内燃機関５を備えた車両、建設機械又は農機等に搭載され、還元剤として尿素水溶液を用いて、内燃機関５から排出される排気ガス中のＮＯ_Xを分解して排気を浄化する。尿素水溶液としては、例えば凍結温度が最も低い約３２．５％濃度の尿素水溶液が用いられる。この場合の尿素水溶液の凍結温度は約－１１℃である。

尿素ＳＣＲシステム１０は、排気管１１の途中に配設された選択還元触媒１３と、選択還元触媒１３よりも上流の排気通路内に尿素水溶液を噴射する還元剤供給装置３０とを備える。選択還元触媒１３よりも上流及び下流の排気管１１には、それぞれＮＯ_X濃度を検出する上流側ＮＯ_Xセンサ２１及び下流側ＮＯ_Xセンサ２３が設けられている。上流側ＮＯ_Xセンサ２１及び下流側ＮＯ_Xセンサ２３のセンサ信号は制御装置１００に出力される。これ以外に、排気管１１には、温度センサやアンモニアセンサ等の図示しないセンサ類が設けられていてもよい。

選択還元触媒１３は、内燃機関５の排気中に含まれるＮＯ_Xを、アンモニアを用いて選択的に還元する機能を有する。選択還元触媒１３は、還元剤供給装置３０により噴射された尿素水溶液が分解することにより生成されたアンモニアを吸着し、流入する排気中のＮＯ_Xをアンモニアと反応させて分解する。選択還元触媒１３は、触媒温度が高いほどアンモニアの吸着可能量が減少する性質を有する。また、選択還元触媒１３は、吸着可能量に対する実際のアンモニアの吸着量の割合が大きいほどＮＯ_Xの還元効率が高くなる性質を有する。

還元剤供給装置３０は、選択還元触媒１３よりも上流側で排気通路内に尿素水溶液を噴射する。還元剤供給装置３０は、噴射弁３１とポンプ４１とを備える。噴射弁３１は、選択還元触媒１３よりも上流の排気管１１に固定されている。ポンプ４１は、貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を吸い上げ、噴射弁３１に向けて圧送する。ポンプ４１及び噴射弁３１は、制御装置１００によって駆動制御される。

ポンプ４１の吸入口には、他端が貯蔵タンク５０内に位置する第１の還元剤配管５８が接続されている。ポンプ４１の吐出口には、他端が噴射弁３１に接続された第２の還元剤配管５７が接続されている。ポンプ４１は、第１の還元剤配管５８を介して貯蔵タンク５０内の尿素水溶液を吸い上げ、第２の還元剤配管５７を介して尿素水溶液を噴射弁３１に供給する。

第２の還元剤配管５７には、他端が貯蔵タンク５０に接続されたリターン配管５９が接続されている。リターン配管５９には図示しないオリフィス又は一方向弁が備えられ、第２の還元剤配管５７内の圧力を保持できるようになっている。また、第２の還元剤配管５７には圧力センサ４３が設けられている。圧力センサ４３は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力Ｐｕを検出するセンサであり、センサ信号は制御装置１００に出力される。

ポンプ４１としては、例えば電磁駆動式のダイヤフラムポンプ又はギヤポンプが用いられる。ポンプ４１の出力は、制御装置１００により制御される。本実施形態では、制御装置１００は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力が所定の目標値で維持されるようにポンプ４１の出力を制御する。例えば制御装置１００は、圧力センサ４３により検出される圧力と目標値との差分に基づいて、ポンプ４１の出力をフィードバック制御する。

噴射弁３１は、例えば通電制御により開弁及び閉弁が切り替えられる電磁駆動式の噴射弁が用いられる。本実施形態では、制御装置１００は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力が所定の目標値となるようにポンプ４１の出力を制御しつつ、尿素水溶液の目標噴射量に応じて開弁時間を調節する。例えば制御装置１００は、一定の噴射サイクルごとに、噴射サイクルの全時間に対する通電時間の比であるデューティ比を調節することにより、尿素水溶液の噴射量を制御する。

また、還元剤供給装置３０は、装置内の尿素水溶液を貯蔵タンク５０に回収する手段を備える。上述のとおり、尿素水溶液の凍結温度は低くても－１１℃程度であるため、内燃機関５の停止中に尿素水溶液が凍結する場合がある。装置内で尿素水溶液が凍結すると、体積が膨張して、それぞれの配管やポンプ４１、噴射弁３１等を破損させるおそれがある。このため、内燃機関５の停止時において、装置内の尿素水溶液は貯蔵タンク５０に回収される。

例えば、ポンプ４１が逆回転可能なポンプである場合には当該ポンプ４１が尿素水溶液の回収手段として用いられ、装置内の尿素水溶液を貯蔵タンク５０側に吸い戻す。また、ポンプ４１の吸入口及び吐出口の接続先を、第１の還元剤配管５８又は第２の還元剤配管５７に相互に切り換えることにより、ポンプ４１の駆動による尿素水溶液の流れを反転させる流路切換弁が尿素水容液の回収手段として備えられてもよい。尿素水溶液の回収手段は、ここに例示した手段以外の手段であってもよい。

排気通路に噴射される尿素水溶液の噴射量は、選択還元触媒１３よりも下流での排気中のＮＯ_Xの濃度及びアンモニアの濃度が基準値以下となるように制御される。例えば、尿素水溶液の目標噴射量は、内燃機関５から排出される排気中のＮＯ_Xを浄化し得るアンモニア量と、選択還元触媒１３におけるアンモニアの目標吸着量に対する過不足のアンモニア量との合計量を生成可能な量に設定される。また、尿素水溶液の目標噴射量は、下流側ＮＯ_Xセンサ２３のセンサ値に基づいて補正されてもよい。例えば、下流側ＮＯ_Xセンサ２３により検出されるＮＯ_X濃度が所定の基準値を上回る場合には、尿素水溶液の噴射量を増量させる補正を行う。

このように構成される尿素ＳＣＲシステムにおいて、上流側ＮＯ_Xセンサ２１により計測されるＮＯ_X濃度の精度が低い場合には、尿素水溶液の噴射量に過不足が生じる。尿素水溶液の噴射量が過剰になると、生成されるアンモニアが選択還元触媒１３の吸着可能量を超えて、選択還元触媒１３の下流側に流出しやすくなる。一方、尿素水溶液の噴射量が不足すると、排気中のＮＯ_Xの一部が選択還元触媒１３の下流側に流出しやすくなる。このため、尿素ＳＣＲシステム１０において、制御装置１００は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断制御を実行する。

＜２．ＮＯ_Xセンサの構成例＞
次に、ＮＯ_Xセンサの構成の一例について簡単に説明する。図２は、ＮＯ_Xセンサ２００の構成を概略的に示す断面図である。かかるＮＯ_Xセンサ２００は、２つの固体電解質体２１１，２１３によって形成されたガス流路２１５を備え、ガス流路２１５の途中には、第１空間２１７及び第２空間２１９が設けられている。

ガス流路２１５の第１空間２１７の上流側には、第１の拡散律速通路２２１が設けられ、第１空間２１７と第２空間２１９との間には、第２の拡散律速通路２２３が設けられている。第１の拡散律速通路２２１及び第２の拡散律速通路２２３は、小孔や薄い切込みを形成した固体電解質体をガス流路２１５に配置したり、アルミナ等の多孔質体をガス流路２１５中に充填したりすることによって形成することができる。

これらの第１の拡散律速通路２２１及び第２の拡散律速通路２２３を通過する排気Ｇは、拡散抵抗を受けつつ、下流側の第１空間２１７又は第２空間２１９に流れ込む。したがって、第１空間２１７及び第２空間２１９内での排気Ｇの滞留時間が長くなり、センサ外での排気Ｇの組成が変化した場合であっても、第１空間２１７及び第２空間２１９内の排気Ｇへの影響が少なくなる。その結果、センサによる検出精度が高められる。

また、ガス流路２１５の第１空間２１７に面して第１素子２３０が設けられ、第２空間２１９に面して第２素子２４０が設けられている。第１素子２３０は、固体電解質体２１３の両面に第１の内側電極２３１及び第１の外側電極２３３が配置されて構成されており、第１の内側電極２３１が第１空間２１７に面し、第１の外側電極２３３が基準ガス空間２２５に面している。また、第２素子２４０は、固体電解質体２１３の両面に第２の内側電極２４１及び第２の外側電極２４３が配置されて構成されたものであり、第２の内側電極２４１が第２空間２１９に面し、第２の外側電極２４３が基準ガス空間２２５に面している。

かかるＮＯ_Xセンサ２００において、第１素子２３０及び第２素子２４０はともに酸素ポンプ素子として利用されるものであり、第１素子２３０及び第２素子２４０を構成する第１の内側電極２３１と第１の外側電極２３３、及び、第２の内側電極２４１と第２の外側電極２４３は、それぞれ外部接続回路２２７に接続され、一対の電極間に電圧を印加することができるようになっている。

このうち、第１素子２３０では、排気Ｇ中のＮＯ_Xのうち、ＮＯが解離しないようにして酸素のみを汲み出すように、電圧の印加が行われる。このとき、第１空間２１７内では、下記式（１）で示すように、ＮＯ₂が解離してＮＯ及び酸素が生成される。
２ＮＯ₂ → ２ＮＯ＋Ｏ₂ …（１）

したがって、第１空間２１７からは、排気Ｇにもともと含まれていた酸素と、第１空間２１７内で生成された酸素とが、第１素子２３０によって汲み出される。

また、第２素子２４０では、排気Ｇ中のＮＯを解離して酸素を汲み出すように、電圧の印加が行われる。すなわち、第２空間２１９内では、下記式（２）で示すように、ＮＯが解離して窒素及び酸素が生成される。
２ＮＯ → Ｎ₂＋Ｏ₂ …（２）

したがって、第２空間２１９からは、第２空間２１９内で生成された酸素が第２素子２４０によって汲み出される。このとき、第２素子２４０に流れる電流値は、第２空間２１９から汲み出された酸素濃度に応じた電流値を示す。この酸素濃度は、すなわち排気ＧのＮＯ_X濃度を示すことから、第２素子２４０に流れる電流値を測定することによって、排気Ｇ中のＮＯ_X濃度を検出することができる。

また、かかるＮＯ_Xセンサ２００において、排気Ｇ中にアンモニア（ＮＨ₃）が含まれていると、第１空間２１７の第１の内側電極２３１において酸化されてＮＯが生成される場合がある。すなわち、排気Ｇ中にアンモニアが滞留している場合、第１空間２１７で生成されたＮＯが第２空間２１９内で解離して窒素及び酸素が生成され、ＮＯ_Xセンサ２００により検出されることとなる。

＜３．診断装置（制御装置）＞
次に、本実施形態に係るＮＯ_Xセンサの診断装置として機能する制御装置１００の構成例について説明する。図３は、制御装置１００の構成のうち、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断に関連する部分の機能構成を示すブロック図である。

制御装置１００の一部又は全部は、例えば、マイクロコンピュータ又はマイクロプロセッサユニット等で構成されていてもよく、ファームウェア等の更新可能なもので構成されていてもよい。また、制御装置１００の一部又は全部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等からの指令によって実行されるプログラムモジュール等であってもよい。

制御装置１００は、処理部１１０、記憶部１４０、噴射弁駆動部１５０及びポンプ駆動部１６０を備える。記憶部１４０は、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶素子により構成される。記憶部１４０は、ソフトウェアプログラムや種々の演算処理に用いられるパラメータ、演算結果、センサ類による計測結果等を記憶する。記憶部１４０は、ＣＤ－ＲＯＭやＨＤＤ（Hard Disk Drive）等の記憶媒体を用いて構成されてもよい。制御装置１００には、直接、あるいは、ＣＡＮ（Controller Area Network）等のバス配線を介して接続された上流側ＮＯ_Xセンサ２１及び下流側ＮＯ_Xセンサ２３のセンサ信号、及び内燃機関５の運転状態に関連する情報が入力される。

噴射弁駆動部１５０及びポンプ駆動部１６０は、それぞれ電気回路により構成され、処理部１１０から出力される指令信号に基づいて動作して噴射弁３１又はポンプ４１の駆動を制御する。処理部１１０は、例えばＣＰＵを用いて構成される。処理部１１０は、判定部１１２、診断部１１４及び噴射制御部１１６を備える。これらの各部は、処理部１１０がソフトウェアプログラムを実行することにより実現される機能であってよい。

（噴射制御部）
噴射制御部１１６は、内燃機関５の排気中のＮＯ_Xを浄化するために、尿素水溶液の噴射制御を実行する。例えば、噴射制御部１１６は、内燃機関５の排気中のＮＯ_X量に基づき、当該ＮＯ_Xを還元するために必要なアンモニア量を算出するとともに、選択還元触媒１３におけるアンモニアの目標吸着量に対して過不足のアンモニア量を算出する。噴射制御部１１６は、算出されたアンモニア量の和に応じた尿素水溶液の量を目標噴射量とする。

内燃機関５から排出される排気中のＮＯ_X量は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１により計測される排気中のＮＯ_X濃度に、内燃機関５の運転状態に基づいて算出される排気流量をかけて求められる。かかる排気中のＮＯ_X量に基づいて、排気中のＮＯ_Xを浄化し得るアンモニア量が算出される。

選択還元触媒１３におけるアンモニアの目標吸着量は、選択還元触媒１３の温度に依存する吸着可能量の例えば７０％に設定される。選択還元触媒１３におけるアンモニアの現在の吸着量は、噴射された尿素水溶液から生成されるアンモニア量（正の値）と、ＮＯ_Xの還元に用いられたアンモニア量（負の値）とを積算することにより求められる。現在のアンモニアの吸着量が目標吸着量に対して不足する場合には、過不足のアンモニア量は正の値となり、現在のアンモニアの吸着量が目標吸着量に対して過剰である場合には、過不足のアンモニア量は負の値となる。

噴射制御部１１６は、所定のサイクルごとに尿素水溶液の目標噴射量を算出し、算出されたアンモニア量に対応する尿素水溶液の量を目標噴射量として、尿素水溶液の噴射制御を実行する。例えば、噴射制御部１１６は、噴射弁３１に供給される尿素水溶液の圧力が一定に保たれるようにポンプ４１の出力を制御し、目標噴射量に応じて、噴射弁３１の開弁時間を調節する。また、噴射制御部１１６は、選択還元触媒１３の下流側に設けられた下流側ＮＯ_Xセンサ２３のセンサ値に基づき尿素水溶液の噴射量を補正する。このようにして尿素水溶液の噴射制御を実行することにより、選択還元触媒１３の下流側へのアンモニアの流出が抑制されつつ、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着率が高く維持されてＮＯ_Xの還元効率を向上させることができる。

（診断部）
診断部１１４は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行する。本実施形態において、診断部１１４は、内燃機関５が停止して、還元剤供給装置３０による尿素水溶液の噴射制御が停止している期間に、上流側ＮＯ_Xセンサ２１により計測されるＮＯ_X濃度を推定ＮＯ_X濃度と比較することにより上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行する。内燃機関５が停止した状態で上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行するのは、排気の流れが停止し、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の設置位置におけるＮＯ_X濃度が安定しているため、診断精度を高めることができるからである。

ここで、上述のとおり上流側ＮＯ_Xセンサ２１によってアンモニアの検出も行われることから、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の設置位置にアンモニアが滞留していない状態で上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行することが望ましい。尿素ＳＣＲシステム１０においては、内燃機関５の排気流量が多い場合には、噴射される尿素水溶液からアンモニアが選択還元触媒１３に搬送されやすい一方、内燃機関５の排気流量が少ない場合には、噴射される尿素水溶液が排気管１１の壁面に付着する場合がある。

図４～図５は、選択還元触媒１３の上流側で尿素水溶液が噴射された様子を示す説明図である。図４は、排気流量が多い場合に尿素水溶液が噴射された様子を示し、図５は、排気流量が少ない場合に尿素水溶液が噴射された様子を示す。

図４に示すように、排気流量が多い場合、噴射弁３１から噴射される尿素水溶液Ｕは噴霧の状態のままで流され、排気の熱あるいは水分により分解されることによってアンモニアが生成され、選択還元触媒１３に搬送される。排気流量が多い場合には、効率よくアンモニアが生成されるとともに、生成されたアンモニアは排気の流れにのって選択還元触媒１３に搬送される。これに対して、図５に示すように、排気流量が少ない場合、噴射弁３１から噴射される尿素水溶液Ｕは液滴状態のままで排気管１１の壁面に付着しやすくなるため、分解されにくくなる。排気管１１に付着した尿素水溶液は、その後排気熱等によって徐々に分解され、アンモニアが生成される。

図６は、尿素水溶液が排気管１１の壁面に付着したまま内燃機関５が停止した様子を示す。内燃機関５が停止すると排気の流れが停止するために、生成されたアンモニアが選択還元触媒１３の上流側に滞留して、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の設置位置にも充満しやすくなる。この状態で上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行した場合、上流側ＮＯ_Xセンサ２１により計測されるＮＯ_X濃度は、実際にはＮＯ_X及びアンモニアの濃度を示すことになって、診断結果の信頼性が低下する。

このため、本実施形態に係る制御装置１００は、判定部１１２により、選択還元触媒１３の上流側でのアンモニアの滞留状態に応じて、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断の実行の可否を判定する。診断部１１４は、内燃機関５の停止後、判定部１１２によって上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の許可判定がされている場合に、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行する。なお、上流側ＮＯ_Xセンサ２１により計測されるＮＯ_X濃度を推定ＮＯ_X濃度と比較する上流側ＮＯ_Xセンサ２１の具体的な診断手法は特に限定されない。

（判定部）
判定部１１２は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１が設けられた、選択還元触媒１３の上流側におけるアンモニアの滞留状態に基づいて上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の可否を判定する。本実施形態において、判定部１１２は、排気流量と尿素水溶液の噴射量とに基づいて得られるアンモニア残留濃度指標値を用いて上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断の実行の可否を判定する。

ここで、アンモニア残留濃度指標値とは、排気流量及び尿素水溶液の噴射量から推定される、選択還元触媒１３の上流側の排気通路内に滞留するアンモニア量を表す値である。アンモニア残留濃度指標値が正の値である場合、滞留するアンモニア量が増える状態を表す。また、アンモニア残留濃度指標値が正の値で大きいほど、滞留するアンモニア量が多い状態を表す。アンモニア残留濃度指標値が負の値である場合、滞留するアンモニア量が減る状態を表す。また、アンモニア残留濃度指標値が負の値で大きいほど、減少するアンモニア量が多い状態を表す。滞留するアンモニア量が減る状態とは、アンモニアが選択還元触媒１３に搬送されやすい状態とも言い得る。

ここで、排気流量が小さいほど排気管１１の壁面に尿素水溶液が付着しやすくなる。また、尿素水溶液の噴射量が多いほど排気管１１の壁面に尿素水溶液が付着しやすくなる。このため、判定部１１２は、排気流量が少なく、また、尿素水溶液の噴射量が多いほど、正の大きい値となるように、アンモニア残留濃度指標値を求める。逆に、選択還元触媒１３の上流側にアンモニアが滞留している場合であっても、尿素水溶液の噴射量が少なく、かつ、排気流量が多い場合には、滞留しているアンモニアが選択還元触媒１３に流れ込みやすくなる。このため、判定部１１２は、排気流量が多く、また、尿素水溶液の噴射量が少ないほど、負の大きい値となるように、アンモニア残留濃度指標値を求める。

図７は、求められるアンモニア残留濃度指標値について説明するための図である。排気流量Ｖｇが同一である場合、尿素水溶液の噴射量Ｑｕが多いほどアンモニア残留濃度指標値は正の値で大きくなり、尿素水溶液の噴射量Ｑｕが少ないほどアンモニア残留濃度指標値は負の値で大きくなる。また、尿素水溶液の噴射量Ｑｕが同一である場合、排気流量Ｖｇが多いほどアンモニア残留濃度指標値は負の値で大きくなり、排気流量Ｖｇが少ないほどアンモニア残留濃度指標値は正の値で大きくなる。

このように求められるアンモニア残留濃度指標値は、あらかじめシミュレーション等により求められ、マップ情報として記憶部１４０に記憶されていてもよく、あらかじめ設定された計算式を用いて算出されてもよい。

判定部１１２は、所定のサイクルごとに、排気流量及び尿素水溶液の噴射量に基づいてアンモニア残留濃度指標値を算出する。例えば、判定部１１２は、噴射制御部１１６が目標噴射量を算出するサイクルごとにアンモニア残留濃度指標値を算出する。判定部１１２は、算出したアンモニア残留濃度指標値を積算し、積算値が禁止基準値を超えたときに、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断の実行を禁止する。このとき、積算値がゼロ未満とならないように積算値の下限がゼロに設定される。

＜４．フローチャート＞
次に、診断装置として機能する制御装置１００により実行される処理の一例を説明する。

図８～図９は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の可否を判定するためのフローチャートを示す。図８は、診断実行が許可されている場合の判定処理を示すフローチャートであり、図９は、診断実行が禁止されている場合の判定処理を示すフローチャートである。図８及び図９に示すフローチャートは、内燃機関５の運転中に所定の処理サイクルごとに実行される。

図８に示すように、診断実行が許可されている場合、制御装置１００の判定部１１２は、排気流量Ｖｇの情報を取得する（ステップＳ１１）。例えば、排気流量Ｖｇは、内燃機関５の回転数等の運転状態に基づいて算出される。次いで、判定部１１２は、噴射制御部１１６により算出された尿素水溶液の噴射量Ｑｕの情報を取得する（ステップＳ１３）。

次いで、判定部１１２は、排気流量Ｖｇ及び尿素水溶液の噴射量Ｑｕの情報に基づいてアンモニア残留濃度指標値を算出する（ステップＳ１５）。判定部１１２は、例えばあらかじめ排気流量Ｖｇ及び尿素水溶液の噴射量Ｑｕに応じてアンモニア残留濃度指標値を設定したマップ情報を参照してアンモニア残留濃度指標値を算出してもよく、あらかじめ設定された計算式を用いてアンモニア残留濃度指標値を算出してもよい。

次いで、判定部１１２は、算出したアンモニア残留濃度指標値を積算する（ステップＳ１７）。このとき、積算値がマイナスの値とならないように、積算値の下限をゼロとしてアンモニア残留濃度指標値の積算値を求める。

次いで、判定部１１２は、算出した積算値が、あらかじめ設定された禁止基準値を超えているか否かを判別する（ステップＳ１９）。禁止基準値は、例えば、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の設置位置におけるアンモニア濃度が、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断結果の信頼性を担保可能な許容範囲内に収まっていると判断し得る上限の値に設定される。

アンモニア残留濃度指標値の積算値が禁止基準値以下の場合（Ｓ１９／Ｎｏ）、判定部１１２は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行を許可する（ステップＳ２３）。例えば、判定部１１２は、診断実行禁止フラグを立てない状態で維持する。この場合、判定部１１２は、ステップＳ１１に戻って、ここまでに説明した各ステップの演算を繰り返す。

一方、アンモニア残留濃度指標値の積算値が禁止基準値を超えている場合（Ｓ１９／Ｙｅｓ）、判定部１１２は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行を禁止する（ステップＳ２１）。例えば、判定部１１２は、診断実行禁止フラグを立てる。この場合、判定部１１２は、図９に示すフローチャートの処理へと移行する。

図９に示すように、診断実行が禁止されている場合、図８に示したステップＳ１１～Ｓ１７と同様の手順でアンモニア残留濃度指標値の積算値を算出する（ステップＳ３１～Ｓ３７）。次いで、判定部１１２は、算出した積算値が、あらかじめ設定された許可基準値を下回ったか否かを判別する（ステップＳ３９）。許可基準値は、禁止基準値よりも小さい値であって、例えば、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の設置位置におけるアンモニア濃度が、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断結果の信頼性を担保可能な許容範囲内にまで低下したと判断し得る値に設定される。

アンモニア残留濃度指標値の積算値が許可基準値以上の場合（Ｓ３９／Ｎｏ）、判定部１１２は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行を禁止状態で維持する（ステップＳ４３）。例えば、判定部１１２は、診断実行禁止フラグを立てた状態で維持する。この場合、判定部１１２は、ステップＳ３１に戻って、ここまでに説明した各ステップの演算を繰り返す。

一方、アンモニア残留濃度指標値の積算値が許可基準値を下回った場合（Ｓ３９／Ｙｅｓ）、判定部１１２は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の禁止を解除する（ステップＳ４１）。例えば、判定部１１２は、診断実行禁止フラグを下ろす。この場合、判定部１１２は、図８に示すフローチャートの処理へと移行する。

このようにして、判定部１１２は、内燃機関５の排気流量Ｖｇ及び尿素水溶液の噴射量Ｑｕに基づいて推定される、選択還元触媒１３の上流側でのアンモニアの滞留状態に応じて、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断の実行の可否を判定する。

なお、図８及び図９に基づいて説明した例では、診断実行の禁止及び禁止の解除の切り換えが短時間の間に繰り返されないように、診断実行を禁止する禁止基準値と、診断実行の禁止を解除する許可基準値とが異なる値に設定されているが、禁止基準値と許可基準値とは同一の値であってもよい。

図１０は、制御装置１００の診断部１１４による診断処理のフローチャートを示す。
診断部１１４は、内燃機関５が停止したか否かを判別する（ステップＳ５１）。内燃機関５の運転が継続されている間（Ｓ５１／Ｎｏ）、診断部１１４は、ステップＳ５１の判定を繰り返す。一方、内燃機関５が停止した場合（Ｓ５１／Ｙｅｓ）、診断部１１４は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行が許可されているか否かを判別する（ステップＳ５３）。例えば、診断部１１４は、診断実行禁止フラグが立てられているか否かを判別する。

上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行が禁止されている場合（Ｓ５３／Ｎｏ）、診断部１１４は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行することなく本ルーチンを終了させる。一方、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行が許可されている場合（Ｓ５３／Ｙｅｓ）、診断部１１４は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行する（ステップＳ５５）。上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断は、例えば、内燃機関５の停止直前の運転状態に基づいて推定される排気中の推定ＮＯ_X濃度と、上流側ＮＯ_Xセンサ２１により実際に計測されるＮＯ_X濃度とを比較することにより行うことができる。

例えば、診断部１１４は、かかる実際に計測されるＮＯ_X濃度と推定ＮＯ_X濃度との差があらかじめ設定した閾値未満の場合に上流側ＮＯ_Xセンサ２１が正常であると判定する一方、当該差が閾値以上の場合に上流側ＮＯ_Xセンサ２１が異常であると判定する。なお、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断方法は、ここで説明した例に限られない。

このようにして、診断部１１４は、内燃機関５の停止時に、選択還元触媒１３よりも上流側の排気通路内のＮＯ_X濃度が安定した状態で、かつ、アンモニア濃度が低い状態において、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行する。このため、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の誤計測のおそれが低減され、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断結果の信頼性を高めることができる。

＜５．他の実施形態＞
上記実施形態において、制御装置１００の判定部１１２は、排気流量Ｖｇ及び尿素水溶液の噴射量Ｑｕに基づいて得られるアンモニア残留濃度指標値を用いて、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の可否を判定していたが、診断実行の可否の判定方法はかかる例に限定されない。以下、診断実行の可否の判定方法の別の例を説明する。

図１１は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の可否を判定する別の例を示すフローチャートである。図１１に示す例において、判定部１１２は、排気流量Ｖｇの情報を取得する（ステップＳ６１）。次いで、判定部１１２は、排気流量Ｖｇが、あらかじめ設定した閾値を超えているか否かを判別する（ステップＳ６３）。

このときに用いられる閾値は、例えば、選択還元触媒１３の上流側にアンモニアが滞留している場合であっても、当該アンモニアを選択還元触媒１３に搬送させることができる排気流量の下限値に設定される。例えば、内燃機関５がアイドル状態にある場合や、内燃機関５の回転数が小さく、かつ、ＥＧＲ流量が大きい場合には、排気流量Ｖｇが小さく、アンモニアを選択還元触媒１３に搬送させられない場合があるため、閾値は、これらの場合における排気流量よりも大きい値に設定される。

排気流量Ｖｇが閾値以下の場合（Ｓ６３／Ｎｏ）、尿素水溶液が排気管１１の壁面に付着すると、生成されるアンモニアが選択還元触媒１３の上流側に滞留するおそれがあるため、判定部１１２は、尿素水溶液の噴射量Ｑｕの情報を取得し（ステップＳ７３）、噴射量Ｑｕを積算する（ステップＳ７５）。

次いで、判定部１１２は、尿素水溶液の噴射量Ｑｕの積算値が、あらかじめ設定された禁止基準値を超えているか否かを判別する（ステップＳ７７）。禁止基準値は、例えば、尿素水溶液が排気管１１の壁面に付着した場合に、生成されるアンモニアの濃度が、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断結果の信頼性を低下させ得る濃度となる噴射量の値に設定される。

尿素水溶液の噴射量Ｑｕの積算値が、あらかじめ設定された禁止基準値を超えている場合（Ｓ７７／Ｙｅｓ）、判定部１１２は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行を禁止する（ステップＳ７９）。一方、尿素水溶液の噴射量Ｑｕの積算値が、あらかじめ設定された禁止基準値を超えていない場合（Ｓ７７／Ｎｏ）、判定部１１２は、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行を許可する（ステップＳ８１）。

一方、上記のステップＳ６３において、排気流量Ｖｇが閾値を超えている場合（Ｓ６３／Ｙｅｓ）、判定部１１２は、排気流量Ｖｇを積算する（ステップＳ６５）。次いで、判定部１１２は、排気流量Ｖｇの積算値が、あらかじめ設定した許可基準値を超えているか否かを判別する（ステップＳ６７）。許可基準値は、選択還元触媒１３の上流側の排気通路内にアンモニアが滞留していた場合であっても、その大部分が選択還元触媒１３に搬送され得る排気流量の値に設定される。

排気流量Ｖｇの積算値が、あらかじめ設定した許可基準値を超えていない場合（Ｓ６７／Ｎｏ）、判定部１１２は、ステップＳ６１に戻って、ここまでに説明した各ステップの処理を繰り返す。一方、排気流量Ｖｇの積算値が、あらかじめ設定した許可基準値を超えている場合（Ｓ６７／Ｙｅｓ）、判定部１１２は、排気流量Ｖｇの積算値をリセットし（ステップＳ６９）、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行を許可する（ステップＳ７１）。

このように、判定部１１２は、アンモニア残留濃度指標値を用いない場合であっても、選択還元触媒１３の上流側でのアンモニアの滞留状態に応じて、簡易的に上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の可否を判定することができる。

以上説明したように、本実施形態に係る制御装置（診断装置）１００は、排気流量Ｖｇ及び尿素水溶液の噴射量Ｑｕとに基づき推定される、選択還元触媒１３の上流側でのアンモニアの対流状態に応じて、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断実行の可否を判定する。このため、内燃機関５の停止時に、選択還元触媒１３よりも上流側の排気通路内のＮＯ_X濃度が安定した状態で、かつ、アンモニア濃度が低い状態において、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断を実行することができる。これにより、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の誤計測のおそれが低減され、上流側ＮＯ_Xセンサ２１の診断結果の信頼性を高めることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

５…内燃機関、１０…尿素ＳＣＲシステム（排気浄化装置）、１３…選択還元触媒、２１…上流側ＮＯ_Xセンサ、１００…制御装置（診断装置）、１１２…判定部、１１４…診断部、１１６…噴射制御部

Claims (7)

1. 内燃機関（５）の排気通路内に備えられた選択還元触媒（１３）の上流側に尿素水溶液を供給し、前記尿素水溶液から生成されるアンモニアを用いて排気中の窒素酸化物を還元する排気浄化装置（１０）における前記選択還元触媒（１３）の上流側に備えられたＮＯ_Xセンサ（２１）の診断を行う診断装置（１００）において、
   前記ＮＯ_Xセンサ（２１）により計測されるＮＯ_X濃度を推定ＮＯ_X濃度と比較することにより前記ＮＯ_Xセンサ（２１）の診断を行う診断部（１１４）と、
   排気流量と前記尿素水溶液の噴射量とに基づき推定される、前記選択還元触媒（１３）の上流側でのアンモニアの滞留状態に応じて、前記ＮＯ_Xセンサ（２１）の診断の実行の可否を判定する判定部（１１２）と、を備える、
   ことを特徴とする、診断装置。
2. 前記判定部（１１２）は、
   前記排気流量及び前記尿素水溶液の噴射量に基づいて得られるアンモニア残留濃度指標値を積算し、積算値が禁止基準値を超えたときに前記診断の実行を禁止する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の診断装置。
3. 前記判定部（１１２）は、
   前記診断の実行を禁止した状態から、前記アンモニア残留濃度指標値の積算値が許可基準値を下回ったときに前記診断の実行の禁止を解除する、
   ことを特徴とする、請求項２に記載の診断装置。
4. 前記アンモニア残留濃度指標値は、
   前記排気流量及び前記尿素水溶液の噴射量に基づいて、前記選択還元触媒（１３）の上流側の前記排気通路内に前記アンモニアが滞留すると推定される場合に正の値を示し、
   前記選択還元触媒（１３）に前記アンモニアが搬送されると推定される場合に負の値を示す、
   ことを特徴とする、請求項２又は３に記載の診断装置。
5. 前記判定部（１１２）は、
   前記排気流量が所定の流量閾値未満の期間の前記尿素水溶液の噴射量を積算し、前記尿素水溶液の積算値が禁止基準値を超えたときに前記診断の実行を禁止する、
   ことを特徴とする、請求項１に記載の診断装置。
6. 前記判定部（１１２）は、
   前記診断の実行を禁止した状態から、前記排気流量が前記流量閾値以上の期間の前記排気流量を積算し、前記排気流量の積算値が許可基準値を超えたときに前記診断の実行の禁止を解除する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の診断装置。
7. 前記診断部（１１４）は、
   前記内燃機関（５）の停止後であって前記診断の実行が禁止されていない場合に、前記ＮＯ_Xセンサ（２１）の診断を行う、
   ことを特徴とする、請求項１～６のいずれか１項に記載の診断装置。
   

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