JPWO2014192863A1 - 排気浄化装置の異常診断装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯXの量をパラメータとして排気浄化装置の異常診断を行う排気浄化装置の異常診断装置において、異常診断精度の低下を抑制することを課題とする。そこで、本発明は、ＳＣＲ触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニアを供給する供給装置と、供給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ＥＧＲ装置と、排気浄化装置へ流入するＮＯXの量であるＮＯX流入量を取得する取得手段と、取得手段により取得されたＮＯX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、ＥＧＲ装置によって排気とともに還流されるアンモニアの量が上限値を超える場合は、診断手段による排気浄化装置の異常診断を禁止するようにした。

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、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 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）をパラメータとして排気浄化装置の異常を診断する技術が知られている。たとえば、ＮＯ_X流入量をパラメータとしてＳＣＲ触媒のＮＯ_X浄化率（ＮＯ_X流入量に対して、ＳＣＲ触媒により浄化されたＮＯ_Xの量の割合）を演算し、その演算結果に基づいて排気浄化装置の異常を診断する方法が知られている。

ここで、ＳＣＲ触媒のＮＯ_X浄化率を演算するにあたり、ＮＯ_X流入量とＮＯ_X流出量が必要になる。それら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演算されてもよいが、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、尿素水のようなアンモニアの前駆体、又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、又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、内燃機関から実際に排出されるＮＯ_Xの量、言い換えると、ＳＣＲ触媒へ実際に流入するＮＯ_Xの量が増加する。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センサを利用して演算されるＮＯ_X流出量は、実際のＮＯ_X流入量の増加に伴って少なからず増加する可能性がある。よって、ＮＯ_X流入量の演算値とＮＯ_X流出量とから演算される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。

また、ＮＯ_X流入量とＮＯ_X流出量の双方がＮＯ_Xセンサを利用して演算される構成において、添加剤の還流に由来してＮＯ_X流入量が多くなった場合は、正常時のＮＯ_X浄化率と異常時のＮＯ_X浄化率の差が小さくなる。その際、ＮＯ_Xセンサの測定値に誤差が含まれていると、正常時のＮＯ_X浄化率と異常時のＮＯ_X浄化率を区別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、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、排気浄化装置へ流入するＮＯ_Xの量であるＮＯ_X流入量を取得する取得手段と、取得手段により取得された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アンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤の量が多い場合は、排気浄化装置の異常診断を禁止するようにした。

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、
前記排気浄化装置へ流入するＮＯ_X量であるＮＯ_X流入量を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得された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が上限値を超える場合は、前記診断手段による前記排気浄化装置の異常診断を禁止する禁止手段と、
を備えるようにした。

排気浄化装置のＮＯ_X浄化性能を表す指標として、ＮＯ_X浄化率や、ＮＯ_X浄化量（排気浄化装置により浄化されるＮＯ_Xの量）等の物理量が考えられる。よって、ＮＯ_X流入量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は、ＮＯ_X流入量をパラメータとして上記したような物理量を演算し、その演算結果と閾値を比較する方法が用いられる。

ところで、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混合気とともに燃焼に供される。添加剤が燃焼に供されると、アンモニアが酸化して一酸化窒素等のＮＯ_Xが生成される。よって、添加剤の一部がＥＧＲガスとともに還流された場合は還流されない場合に比べ、内燃機関から流出されるＮＯ_Xの量（言い換えると、排気浄化装置へ流入するＮＯ_Xの量）が多くなる。

ここで、排気浄化装置の異常診断処理に使用されるＮＯ_X流入量が内燃機関の運転状態を示すパラメータ（たとえば、吸入空気量、燃料噴射量、燃料噴射時期、機関回転速度等）を用いて演算される場合は、その演算値（以下、「ＮＯ_X流入量演算値」と称する）が実際のＮＯ_X流入量（以下、「実ＮＯ_X流入量」と称する）より少なくなる。その結果、取得手段により算出されたＮＯ_X流入量演算値をパラメータとして上記のような物理量が演算されると、その演算結果と排気浄化装置のＮＯ_X浄化性能との相関が低くなる。たとえば、排気浄化装置のＮＯ_X浄化性能を表す指標としてＮＯ_X浄化率が用いられる場合において、ＮＯ_X流入量演算値をパラメータとして演算されるＮＯ_X浄化率は、実際のＮＯ_X浄化率より小さくなる可能性がある。また、排気浄化装置のＮＯ_X浄化性能を表す指標としてＮＯ_X浄化量が用いられる場合において、ＮＯ_X流入量演算値をパラメータとして演算されるＮＯ_X浄化量は、実際のＮＯ_X浄化量より少なくなる可能性がある。

したがって、ＥＧＲ装置によってＥＧＲガスが還流されているときに、ＮＯ_X流入量演算値を用いた異常診断処理が行われると、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、該排気浄化装置が異常であると誤診断される可能性がある。

また、排気浄化装置の異常診断処理に使用されるＮＯ_X流入量がＮＯ_Xセンサの測定値から演算される場合において、添加剤がＥＧＲガスとともに還流されることによってＮＯ_X流入量が増加すると、上記したような指標（物理量）も増加する。この傾向は、排気浄化装置が異常である場合にも発現し得る。よって、添加剤がＥＧＲガスとともに還流されることによって実ＮＯ_X流入量が増加した場合は、排気浄化装置が正常であるときの指標（物理量）と排気浄化装置が異常であるときの指標（物理量）との差が小さくなる。その際、ＮＯ_Xセンサの測定誤差が考慮されると、排気浄化装置が正常であるときの指標（物理量）と排気浄化装置が異常であるときの指標（物理量）との差が更に小さくなったり、排気浄化装置の正常時に前記指標（物理量）が取り得る範囲と排気浄化装置の異常時に前記指標（物理量）が取り得る範囲とが重複したりする可能性がある。その結果、排気浄化装置の異常診断を精度良く行うことが困難になる可能性もある。

これに対し、本発明の排気浄化装置の異常診断装置は、ＥＧＲガスとともに還流される添加剤の量が上限値を超える場合は、診断手段による排気浄化装置の異常診断が行われないようにした。ここでいう「上限値」は、誤診断を招くと考えられる最小の量、或いは該最小の量からマージンを差し引いた量であり、予め実験等を利用した適合処理によって定められる値である。

禁止手段を備える排気浄化装置の異常診断装置によれば、還元剤の還流によって実ＮＯ_X流入量が多くなる場合は、異常診断が実施されなくなる。その結果、上記したような誤診断が発生しにくくなる。よって、添加剤がＥＧＲガスとともに還流されることに起因した診断精度の低下を抑制することができる。

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、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」と称する）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、をパラメータとして演算することができる。そこで、禁止手段は、上記したパラメータを用いて添加剤の還流量を演算し、その演算結果が上限値を超える場合は診断手段による排気浄化装置の異常診断が実施されないようにすればよい。

なお、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。

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は、添加剤の還流量は、添加剤の供給量と、ＥＧＲ率と、をパラメータとして演算することができる。そこで、禁止手段は、添加剤の供給量とＥＧＲ率とをパラメータとして添加剤の還流量を演算し、その演算結果が上限値を超える場合は診断手段による排気浄化装置の異常診断が実施されないようにすればよい。

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、排気浄化装置へ流入するＮＯ_Xの量であるＮＯ_X流入量を取得する取得手段と、取得手段により取得された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、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。 異常診断を禁止するか否かを判別する際に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。 ＳＣＲ触媒が正常であるときにＮＯ_X浄化率の計算値が取り得る値とＳＣＲ触媒が異常であるときにＮＯ_X浄化率の計算値が取り得る値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や図示しない消音器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、尿素水溶液は、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、アンモニアが生成される。このようにして生成されたアンモニアは、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は、排気中に含まれるＮＯ_Xと反応して窒素や水を生成する。つまり、アンモニアは、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、冷却水又は外気とＥＧＲガス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の量は、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の量に相関する。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、本発明に係わる取得手段が実現される。

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ＮＯ_X浄化性能を表す物理量を演算し、その演算結果に基づいてＳＣＲ触媒の異常を診断する。ＳＣＲ触媒のＮＯ_X浄化性能を表す物理量としては、たとえば、ＳＣＲ触媒のＮＯ_X浄化率、又はＳＣＲ触媒のＮＯ_X浄化量等の物理量を用いることができる。なお、以下では、ＳＣＲ触媒のＮＯ_X浄化性能を表す物理量として、ＮＯ_X浄化率を用い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（単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの噴射量との総和）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であって、ＳＣＲ触媒からアンモニアの一部がすり抜けているときに、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流出量が増加する可能性もある。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。

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、ＥＧＲガスとともに還流されるアンモニアの量（以下、「アンモニア還流量」と称する）が上限値を超える場合は、第二触媒ケーシング７の異常診断が実施されないようにした。ここでいう上限値は、誤診断が発生し得ると考えられる最小のアンモニア還流量、或いは該最小のアンモニア還流量からマージンを差し引いた量であり、予め実験等を利用した適合処理によって定められた値である。

以下、異常診断の禁止手順について図３に沿って説明する。図３は、異常診断を禁止するか否かを判別する際に、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が少量であるため、ＥＣＵ１０は、異常診断を禁止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（ＥＧＲガス）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。詳細には、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、異常診断を禁止する必要がない。よって、Ｓ１０２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の処理で否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、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。そこで、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０３の処理へ進み、ＥＧＲガスとともに還流されるアンモニアの量（アンモニア還流量）を演算する。先ず、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に開始され、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。

続いて、ＥＣＵ１０は、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、アンモニア還流量を演算する。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。

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還流量が上限値より多いか否かを判別する。Ｓ１０４の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０５の処理へ進み、禁止フラグに“１”をセットする。一方、Ｓ１０４の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ１０は、Ｓ１０６の処理へ進み、禁止フラグに“０”をセットする。なお、禁止フラグは、ＲＡＭ又はバックアップＲＡＭに予め設定されている記憶領域である。ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒の異常診断を実行する際に禁止フラグを参照する。そして、ＥＣＵ１０は、禁止フラグに“０”がセットされている場合はＳＣＲ触媒の異常診断を実行し、禁止フラグに“１”がセットされている場合はＳＣＲ触媒の異常診断処理を実行しないものとする。

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、本発明に係わる禁止手段が実現される。その結果、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が誤診断を招く程度に多い場合は、ＳＣＲ触媒の異常診断が実行されなくなる。よって、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が抑制され、ＳＣＲ触媒の異常診断をより正確に行うことが可能になる。

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ガスとともに還流されるアンモニアが上限値を超える場合にＳＣＲ触媒の異常診断を禁止する例について述べたが、ＥＧＲガスとともに還流されるアンモニアの量が零より多い場合にＳＣＲ触媒の異常診断を禁止してもよい。また、ＥＧＲガスとともに還流されるアンモニアの量が多くなると推定される条件（たとえば、ＳＣＲ触媒の温度が一定温度以上である、排気流量が一定量以上である、ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量が一定の吸着量以上である、或いはＥＧＲ率が一定値以上である等の条件のうち、少なくとも一つ）が成立したときに、ＳＣＲ触媒の異常診断が禁止されてもよい。

次に、本実施例では、ＳＣＲ触媒の故障診断に用いられるＮＯ_X流入量が内燃機関１の運転状態を示すパラメータから演算される例について述べたが、ＮＯ_X流入量がＮＯ_Xセンサの測定値から算出されてもよい。ここで、ＮＯ_X流入量とＮＯ_X浄化率との関係を図６に示す。図６中の実線は正常時のＮＯ_X浄化率を示す。図６中の一点鎖線は異常時のＮＯ_X浄化率を示す。また、図６において、実線を含む領域Ａと一点鎖線を含む領域Ｂは、ＮＯ_Xセンサの測定値をパラメータとして演算されるＮＯ_X浄化率の計算値が取り得る値の範囲を示し、ＮＯ_Xセンサの測定誤差を加味したものである。図６に示すように、ＮＯ_X流入量が比較的少ないときは、領域Ａと領域Ｂが重複しないため、ＮＯ_X浄化率の計算値と比較される閾値を設定することが可能である。しかしながら、ＮＯ_X流入量が比較的多いときは、領域Ａと領域Ｂが重複するため、ＮＯ_X浄化率の演算値と比較される閾値を設定することができない。よって、領域Ａと領域Ｂが重複する場合は、ＳＣＲ触媒の異常診断が禁止されることが望ましい。

そこで、前記領域Ａと前記領域Ｂが重複する最小のアンモニア還流量を上限値として設定し、アンモニア還流量が該上限値を超える場合にＳＣＲ触媒の異常診断が禁止されるようにしてもよい。また、前記領域Ａと前記領域Ｂが重複する最小のＮＯ_X流入量を上限値として設定し、ＮＯ_Xセンサの測定値が前記上限値を超える場合にＳＣＲ触媒の異常診断が禁止されるようにいてもよい。これらの方法によれば、ＮＯ_X流入量とＮＯ_X流出量がそれぞれＮＯ_Xセンサの測定値から演算される構成においても、ＳＣＲ触媒の異常診断精度の低下を抑制することが可能になる。

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７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、アンモニア還流量は、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、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
８ 添加弁
９ ＥＧＲ装置
１０ ＥＣＵ
１１ エアフローメータ
１２ ＮＯ_Xセンサ
３０ コンプレッサ
３１ タービン
９０ ＥＧＲ通路
９１ ＥＧＲ弁
９２ ＥＧＲクーラ

Claims (4)

1. 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、
   前記排気浄化装置へ流入するＮＯ_X量であるＮＯ_X流入量を取得する取得手段と、
   前記取得手段により取得された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が上限値を超える場合は、前記診断手段による前記排気浄化装置の異常診断を禁止する禁止手段と、
   を備える排気浄化装置の異常診断装置。
2. 請求項１において、前記取得手段は、内燃機関の運転状態を示すパラメータを利用してＮＯ_X流入量を演算する排気浄化装置の異常診断装置。
3. 請求項１において、前記取得手段は、前記排気浄化装置より上流の排気通路に配置されたＮＯ_Xセンサを利用してＮＯ_X流入量を取得する排気浄化装置の異常診断装置。
4. 請求項１乃至３の何れか１項において、前記禁止手段は、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、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、その演算結果が上限値より多い場合に、前記診断手段による前記排気浄化装置の異常診断を禁止する排気浄化装置の異常診断装置。

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