(57)【要約】【課題】排気浄化装置に関し、素な構成で排気センサの故障の有無を正確に判定する。【解決手段】車搭載エンジン２０の排気通路１５に設けられ、アンモニアを吸着するとともにそのアンモニアを還元剤として排気中の窒素酸化物を還元する選択還元触媒５と、選択還元触媒５の触媒温度を検出する触媒温度検出手段８と、を備える。  また、選択還元触媒５に吸着されているアンモニアの吸着量を演算する吸着量演算手段７ｃと、エンジン２０のアイドル運転状態を検出する状態検出手段７ｄと、選択還元触媒５よりも下流側に設けられ窒素酸化物濃度を検出する排気センサ９と、を備える。  さらに、エンジン２０が前記アイドル運転状態であるときの前記触媒温度，前記吸着量及び前記窒素酸化物濃度に基づき、排気センサ９の故障の有無を判定する判定手段７ｅを備える。【選択図】図１
2012036835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
車両に搭載されたエンジンの排気通路に設けられ、アンモニアを吸着するとともに前記アンモニアを還元剤として排気中の窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、
前記選択還元触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、
前記選択還元触媒に吸着されている前記アンモニアの吸着量を演算する吸着量演算手段と、
前記エンジンのアイドル運転状態を検出する状態検出手段と、
前記選択還元触媒よりも前記排気通路の下流側に設けられ、排気中に含まれる窒素酸化物濃度を検出する排気センサと、
前記エンジンが前記アイドル運転状態であるときの前記触媒温度，前記吸着量及び前記窒素酸化物濃度に基づき、前記排気センサの故障の有無を判定する判定手段と、を備えた
ことを特徴とする排気浄化装置。
【請求項２】
前記判定手段は、
前記エンジンが前記アイドル運転状態であり、かつ、
前記触媒温度が前記窒素酸化物を還元しうる活性温度以上であり、かつ、
前記吸着量が所定量以上存在し、かつ、
前記窒素酸化物濃度が所定濃度未満である場合に、前記排気センサが正常であると判定する
ことを特徴とする、請求項１記載の排気浄化装置。
【請求項３】
前記状態検出手段が、前記車両の走行速度及びエンジン負荷に基づく前記エンジンのアイドル回転が所定時間継続したときに、前記アイドル運転状態を検出する
ことを特徴とする、請求項１又は２記載の排気浄化装置。
【請求項４】
前記判定手段による判定の結果を乗員に報知する報知手段を備えた
ことを特徴とする、請求項１〜３の何れか１項に記載の排気制御装置。
【請求項５】
前記判定手段で前記排気センサが故障したと判定されたときの前記窒素酸化物濃度と前記所定濃度との差を演算する誤差演算手段を備え、
前記判定手段が、
前記誤差演算手段で演算された前記差に基づき、前記排気センサの故障の度合いを判定する
ことを特徴とする、請求項１〜４の何れか１項に記載の排気制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エンジンの排気中に含まれる窒素酸化物を浄化するための排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、排気ガス中に含まれる窒素酸化物（NOx）を除去するための触媒として尿素添加型の選択還元触媒〔尿素SCR（Selective Catalytic Reduction）触媒〕を用いた排気浄化システムが知られている。すなわち、選択還元触媒に窒素酸化物を選択的に反応させるために、選択還元触媒の上流側の排気通路内に還元剤としての尿素水溶液を噴射し、尿素の加水分解によりアンモニア（NH3）を生成して窒素酸化物をアンモニアで窒素及び水に還元するものである。選択還元触媒を用いたシステムは、ディーゼルエンジンの排気のように酸素濃度が比較的高い雰囲気下や低温時における窒素酸化物の浄化に有効である。
【０００３】
上記の排気浄化システムにおいて、実際に排気通路から車外に排出される排気の成分を確認するための排気センサ（例えば、NOxセンサ）を触媒の下流側に設けたものがある。例えば、このセンサで検出される窒素酸化物の濃度が所定値未満であることを以て、選択還元触媒が正常に機能していることが確認される。しかし、排気センサが選択還元触媒の下流側に設けられるため、排気センサが正常である（故障していない）ことが担保されていなければ、選択還元触媒の機能を正確に診断することができない。
【０００４】
そこで、選択還元触媒上での還元反応を停止させた状態で、選択還元触媒の上流側及び下流側のそれぞれで窒素酸化物濃度を検出又は推定し、これらを比較することによって排気センサの故障を検知する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−１２１４１３号公報（段落００６１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、選択還元触媒は尿素の加水分解によって生じたアンモニアを吸着する特性を持つため、尿素水の添加を停止したとしても、予め吸着されたアンモニアによる窒素酸化物の還元反応が生じる。つまり、たとえ排気センサが故障していなかったとしても、選択還元触媒上での還元反応によって選択還元触媒の下流側の窒素酸化物濃度が低下し、上流側の窒素酸化物濃度とは異なる値が検出される場合がある。
【０００７】
このように、従来の技術では排気センサの故障を正確に判定することが困難である。したがって、仮に例外的な数値が排気センサで検出された場合、排気浄化システムに障害が発生していることは把握されるものの、その原因が排気センサにあるのか、それとも、排気センサ以外の装置にあるのかを特定することが難しい。
【０００８】
本件は上記のような課題に鑑み創案されたもので、簡素な構成で、排気センサの故障の有無を正確に判定することができるようにした排気浄化装置を提供することを目的とする。
なお、この目的に限らず、後述する発明を実施するための形態に示す各構成により導かれる作用効果であって、従来の技術によっては得られない作用効果を奏することも本件の他の目的として位置づけることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）ここで開示する排気浄化装置は、車両に搭載されたエンジンの排気通路に設けられ、アンモニアを吸着するとともに前記アンモニアを還元剤として排気中の窒素酸化物を還元する選択還元触媒と、前記選択還元触媒の触媒温度を検出する触媒温度検出手段と、を備える。
また、前記選択還元触媒に吸着されている前記アンモニアの吸着量を演算する吸着量演算手段と、前記エンジンのアイドル運転状態を検出する状態検出手段と、前記選択還元触媒よりも前記排気通路の下流側に設けられ、排気中に含まれる窒素酸化物濃度を検出する排気センサと、を備える。
さらに、前記エンジンが前記アイドル運転状態であるときの前記触媒温度，前記吸着量及び前記窒素酸化物濃度に基づき、前記排気センサの故障の有無を判定する判定手段を備える。
なお、前記触媒温度検出手段は、前記触媒温度を直接検出してもよいし、演算による推定値を検出してもよい。
【００１０】
（２）前記判定手段は、前記エンジンが前記アイドル運転状態であり、かつ、前記触媒温度が前記窒素酸化物を還元しうる活性温度以上であり、かつ、前記吸着量が所定量以上存在し、かつ、前記窒素酸化物濃度が所定濃度未満である場合に、前記排気センサが正常であると判定する。
この場合、排気流量や排気温度が安定しているアイドル運転時に、前記選択還元触媒に吸着されている前記アンモニアを用いて前記窒素酸化物を還元させることで、前記窒素酸化物の浄化率が向上するため、前記排気センサが故障していない限り窒素酸化物濃度が所定濃度未満となる。
【００１１】
（３）また、前記状態検出手段が、前記車両の走行速度及びエンジン負荷（例えば、アクセル開度，スロットル開度等）に基づく前記エンジンのアイドル回転が所定時間継続したときに、前記アイドル運転状態を検出する。
（４）また、前記判定手段による判定の結果を乗員に報知する報知手段を備える。
（５）また、前記判定手段で前記排気センサが故障したと判定されたときの前記窒素酸化物濃度と前記所定濃度との差を演算する誤差演算手段を備え、前記判定手段が、前記誤差演算手段で演算された前記差に基づき、前記排気センサの故障の度合いを判定する。
【発明の効果】
【００１２】
（１）開示の排気浄化装置によれば、簡素な構成で、排気通路上に設けられた選択還元触媒やエンジンの故障と、排気センサの故障とを正確に区別することが可能となり、排気センサの故障を特定することができる。これにより、排気センサで検出される窒素酸化物濃度の値の信頼性を向上させることができ、より正確な制御が可能となる。
（２）また、安定したエンジンの運転状態下で窒素酸化物の浄化率の向上することを利用して、排気センサの検出値が適切であるか否かを確実に判定することができ、精度よく排気センサの故障を特定することができる。
【００１３】
（３）また、アイドル運転状態の条件を設定することにより、窒素酸化物の浄化率が向上する状態を正確に把握することが可能となり、排気センサの故障判定の精度をさらに高めることができる。
（４）また、排気センサが故障したと判定されたときにその旨を乗員に報知することで、排気センサのメンテナンスや交換を促すことができる。
（５）また、判定手段での判定によって排気センサの故障が確定したときに、排気センサの検出値と所定濃度との差を演算することで、故障の度合いや故障の種類を推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】一実施形態に係る排気浄化装置の全体構成を模式的に例示する図である。
【図２】図１の選択還元触媒の触媒温度とアンモニア最大吸着量との関係を例示するグラフである。
【図３】図１のエンジンの運転状態と排気中に含まれる窒素酸化物濃度との関係を例示するグラフである。
【図４】図１の選択還元触媒に吸着されているアンモニアの吸着量の経時変化を例示するグラフである。
【図５】図１の排気浄化装置での制御内容を例示するフローチャートである。
【図６】図１の排気浄化装置を搭載した車両の走行試験時における排気性能を説明するためのグラフであり、（ａ）はエンジン回転数の経時変動、（ｂ）はエンジンアウトNOxの演算値及びNOxセンサで検出されたNOxの濃度の経時変動である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、図面を参照して開示の排気浄化装置について説明する。なお、以下に示す実施形態はあくまでも例示に過ぎず、以下の実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。
【００１６】
［１．構成］
［１−１．吸排気システム］
本実施形態の排気浄化装置１０は、図１に例示する車両の吸排気システムに適用されている。図１中のエンジン２０は軽油を燃料とするディーゼルエンジンであり、このエンジン２０には排気通路１６及び吸気通路１７が接続される。エンジン２０の各気筒の燃焼室には吸気通路１７を介して吸気が導入され、燃焼後の排気は排気通路１６を介して外部へ排出される。
【００１７】
排気通路１６には排気の流れの上流側から順に、ターボチャージャー１８，DPF（Diesel Particulate Filter）装置１及びSCR（Selective Catalytic Reduction）装置４が介装される。DPF装置１は連続再生式の濾過装置であり、SCR装置４は排気中に含まれるNOx（窒素酸化物）を除去するための浄化装置である。
【００１８】
ターボチャージャー１８は、排気通路１６及び吸気通路１７のそれぞれを跨ぐように介装された過給器であり、排気通路１６を流通する排気の排気圧でタービンを回転させ、その回転力を利用してコンプレッサを駆動することにより、吸気通路１７からの吸気を圧縮してエンジン２０への過給を行う。
【００１９】
排気通路１６上におけるDPF装置１とSCR装置４との間には、インジェクタ１１が設けられる。インジェクタ１１は、排気中に尿素〔CO(NH2)2〕の水溶液を噴霧供給するノズルである。なお、排気中に添加された尿素は排気熱によって加水分解され、アンモニアを発生させる。
【００２０】
SCR装置４の直上流側には、SCR触媒５に流入する排気温度Ｔ1を検出する温度センサ８が設けられる。また、SCR装置４よりも下流側には、排気中に含まれるNOxの濃度Ｃ1を検出するNOxセンサ９（排気センサ）が設けられる。これらの各センサ８，９で検出された排気温度Ｔ1，濃度Ｃ1は、後述するコントローラ７へと入力されている。
【００２１】
吸気通路１７上の任意の位置（例えば、スロットルバルブよりも上流側）には、エアフローセンサ１４が設けられる。エアフローセンサ１４は、エンジン２０のシリンダ内に導入される吸気量Ｑを検出する流量センサである。また、本吸排気システムの任意の位置には、アクセル開度センサ１２及び車速センサ１９が設けられる。アクセル開度センサ１２は運転者によるアクセルペダルの操作量θAC（アクセル開度）を検出するものであり、車速センサ１９は例えば車輪の回転速度に基づいて車速Ｖを検出するものである。
【００２２】
さらに、エンジン２０のクランクシャフト２１の近傍には、エンジン回転数Ｎｅを検出するエンジン回転数センサ１３が設けられる。アクセル開度センサ１２で検出されたアクセル開度θAC，エンジン回転数センサ１３で検出されたエンジン回転数Ｎｅ，エアフローセンサ１４で検出された吸気量Ｑ，車速センサ１９で検出された車速Ｖは、後述するコントローラ７へと入力されている。
【００２３】
［１−２．DPF装置］
DPF装置１は、上流側に配置されるDOC（Diesel Oxidation Catalyst）触媒２と下流側に配置されるフィルタ３とを内蔵する。このDPF装置１は、排気中に含まれるPM（Particulate Matter，粒子状物質）を捕集する機能と、捕集したPMを連続的に酸化させて除去する機能とを併せ持つ。なお、PMとは、炭素からなる黒煙（すす）の周囲に燃え残った燃料や潤滑油の成分，硫黄化合物等が付着した粒子状の物質である。
【００２４】
DOC触媒２は、排気中の成分に対する酸化能を有する酸化触媒であり、金属，セラミックス等からなるハニカム状の担体に触媒物質を担持したものである。DOC触媒２によって酸化される排気中の成分には、一酸化窒素（NO）や未燃燃料中の炭化水素等が挙げられる。例えば、一酸化窒素がDOC触媒２で酸化されると二酸化窒素（NO2）が生成される。なお、DOC触媒２における一酸化窒素の酸化反応の化学反応式を以下に例示する。
2NO + O2 → 2NO2  ・・・（式１）
【００２５】
フィルタ３は、PMを捕集する多孔質フィルタ（例えば、セラミックフィルタ）である。フィルタ３の内部は、多孔質の壁体によって排気の流通方向に沿って複数に分割されている。この壁体には、PMの微粒子に見合った大きさの多数の細孔が形成される。排気が壁体の近傍や内部を通過する際に壁体内，壁体表面にPMが捕集され、排気が濾過される。
【００２６】
なお、DPF装置１のフィルタ３として、その表面に触媒貴金属が担持されたものを使用してもよい。この場合、排気中の二酸化窒素等を酸化剤として排気微粒子が焼却される。これにより、フィルタ３に捕集されたPMが除去され、フィルタ３が再生浄化される。フィルタ３におけるPMの燃焼反応の化学反応式を以下に例示する。
C + 2NO2 → 2NO + CO2  ・・・（式２）
C + O2 → CO2  ・・・（式３）
【００２７】
本実施形態では、車両の通常走行時にはNO2でPMを燃焼させる連続再生方式でフィルタ３が再生浄化されるとともに、必要に応じてO2でPMを燃焼させる強制再生方式でフィルタ３が再生浄化される。式２に示す反応は低温時のPM燃焼反応であり、おもに連続再生方式による再生制御時に進行する。また、式３に示す反応は高温時のPM燃焼反応であり、おもに強制再生方式による再生制御時に進行する。
【００２８】
［１−３．SCR装置］
SCR装置４は、上流側に配置されるSCR触媒５（選択還元触媒）とその下流側に配置されるCUC（Clean Up Catalyst）触媒６とを内蔵する。
SCR触媒５は、尿素添加型の窒素酸化物選択還元触媒であり、上流側から供給されるアンモニアを吸着し、そのアンモニアを還元剤として排気中のNOxを窒素へと還元するものである。SCR触媒５へのアンモニアの吸着量の最大値ＸMAXは、図２に示すように、SCR触媒５の触媒温度が低温であるほど増大し、高温であるほど減少する。また、触媒温度が所定の脱離温度ＴA以上（例えば、400℃程度以上）になると、アンモニアの吸着量がほぼ０になる。
【００２９】
また、SCR触媒５でのNOxの還元反応は、SCR触媒５の触媒温度が所定の活性温度ＴB以上（例えば、200℃程度以上）であるときに生じ、触媒温度が高温であるほど反応速度が上昇する。なお、尿素の加水分解及びSCR触媒５におけるNOxの還元反応の化学反応式を以下に例示する。
CO(NH2)2 + H2O → 2NH3 + CO2  ・・・（式４）
NO+NO2 + 2NH3 → 2N2 + 3H2O  ・・・（式５）
【００３０】
CUC触媒６は、SCR触媒５での還元反応における余剰分のアンモニア（スリップNH3）を除去するための酸化触媒である。なお、CUC触媒６におけるアンモニアの酸化反応の化学反応式を以下に例示する。
4NH3 + 3O2 → 2N2 + 6H2O  ・・・（式６）
【００３１】
［２．コントローラ］
エンジン２０の混合気の空燃比やシリンダ内での燃焼反応に係る吸入空気量，燃料噴射量，燃料噴射タイミング，点火時期，排気温度等は、コントローラ７〔ECU，Engine (electronic) Control Unit〕によって制御される。コントローラ７は、エンジン２０を含む吸排気システムを統括管理する電子制御装置であり、マイクロプロセッサやROM，RAM等を集積したLSIデバイスである。
【００３２】
コントローラ７の入力側には、前述の温度センサ８，NOxセンサ９，アクセル開度センサ１２，エンジン回転数センサ１３，エアフローセンサ１４及び車速センサ１９が接続されている。また、コントローラ７の出力側には、例えば車室内のインストルパネルに取り付けられた報知装置１５（報知手段）が接続されている。報知装置１５には、ディスプレイ，ランプ等の表示装置とスピーカ，ブザー等の音響装置とが内蔵されている。
【００３３】
本実施形態では、コントローラ７に実装される機能のうち、主に触媒制御に係るNOxセンサ９の診断制御機能について説明する。NOxセンサ９の診断制御とは、NOxセンサ９に故障が生じていないかどうかをNOxセンサ９の検出値から診断し、故障のおそれがある場合には乗員にその旨の報知を行う制御である。
【００３４】
図１に示すように、NOxセンサ９は排気通路１６の最下流側に設けられているため、NOxセンサ９の検出値に基づく故障診断では、その上流側に配置されるDPF装置１やSCR装置４の故障と切り分けて判断することが要求される。本実施形態のコントローラ７は、このような故障の原因を特定してNOxセンサ９の故障を他の故障と区別するための機能を備えている。
【００３５】
［３．コントローラの機能］
コントローラ７の内部にソフトウェア又はハードウェア回路としてプログラミングされている機能を、図１中に模式的に示す。なお、ソフトウェアとする場合には、そのソフトウェアを図示しないメモリや記憶装置に記録し、図示しないCPU（Central Processing Unit，中央処理装置）に随時読み込むことによって以下に説明する機能を実現する。
【００３６】
コントローラ７には、触媒温度検出部７ａ，エンジン排出NOx量推定部７ｂ，アンモニア吸着量演算部７ｃ，アイドル運転状態検出部７ｄ及び故障判定部７ｅが設けられる。
触媒温度検出部７ａ（触媒温度検出手段）は、温度センサ８で検出された排気温度Ｔ1に基づき、SCR触媒５の触媒温度ＴCを推定して検出するものである。触媒温度検出部７ａは排気温度Ｔ1及びその時間変化勾配や、予め記憶されているSCR触媒５の熱容量，温度特性等を用いて、触媒温度ＴCを演算する。
【００３７】
なお、触媒温度ＴCの演算手法はこれに限られない。例えば、SCR触媒５の下流側の温度を用いてもよいし、あるいはこれらの両方を用いて演算してもよい。また、SCR触媒５の表面温度を直接的に検出することとしてもよい。触媒温度ＴCは、SCR触媒５が活性温度ＴBに達しているか否かを判定する際に用いられるほか、SCR触媒５に吸着されているアンモニア量の推定演算に用いられる。
【００３８】
エンジン排出NOx量推定部７ｂは、エンジン２０から排出された直後の排気中に含まれるNOx量（すなわち、エンジンアウトNOx量）を推定演算するものである。図３に示すように、エンジン排出NOx量推定部７ｂには、エンジン２０の運転状態とその時にエンジン２０から排出されるNOx量（NOx濃度）との対応関係が記述されたマップが記憶されている。エンジン排出NOx量推定部７ｂは、このマップとエアフローセンサで検出された吸気量Ｑ，アクセル開度センサ１２で検出されたアクセル開度θAC及びエンジン回転数センサ１３で検出されたエンジン回転数Ｎｅに基づき、エンジンアウトNOx量を演算する。
【００３９】
なお、エンジンアウトNOx量は、エンジン２０に作用する負荷が大きいほど（エンジン２０で発生するトルクが大きいほど）増加する傾向にある。また、図３中に破線で示すように、運転状態をエンジン回転数Ｎｅの大きさに応じて便宜的に三つの領域に分割すると、低回転領域及び高回転領域の運転状態では、その中間の中回転領域の運転状態よりも排気中のNOx濃度が増大する傾向が見られる。このような傾向は、エンジン２０に作用する負荷が大きいほど顕著となる。
【００４０】
アンモニア吸着量演算部７ｃ（吸着量演算手段）は、SCR触媒５に吸着されているアンモニアの吸着量Ｘを演算するものである。ここでは、インジェクタ１１から尿素水が噴射されたときに、アンモニアがSCR触媒５上に十分に吸着されたものとして、アンモニアの吸着量Ｘを演算する。
【００４１】
アンモニアの吸着量Ｘの最大値ＸMAXは、図２に示すように触媒温度ＴCに依存する。したがって、インジェクタ１１から尿素水が噴射されたときの触媒温度ＴCからその時点での吸着量Ｘが演算される。なお、インジェクタ１１から尿素水を噴射する際にSCR触媒５上に吸着しておくべきアンモニアの目標吸着量は、その時点での触媒温度ＴC毎に求められる最大値ＸMAXとする。
【００４２】
アンモニア吸着量演算部７ｃ、エンジン排出NOx量推定部７ｂで演算されたエンジンアウトNOx量を全て還元するのに要する量のアンモニアがSCR触媒５上で消費されたものとして消費分のアンモニア量をその時点の吸着量Ｘから減算し、アンモニアの吸着量Ｘを更新する。これにより、インジェクタ１１から尿素水が噴射されていないときには、SCR触媒５上のアンモニアの吸着量Ｘが徐々に減少する。
【００４３】
また、触媒温度ＴCの低下により最大値ＸMAXがその時点の吸着量Ｘよりも小さくなった場合には、吸着量Ｘがそのときの最大値ＸMAXに更新される。この場合、吸着されていたアンモニアの一部が下流側にスリップしたことになる。なお、スリップしたアンモニアは、CUC触媒６で浄化される。
【００４４】
なお、吸着量Ｘが予め設定された最小値ＸMIN未満になった場合には、アンモニア吸着量演算部７ｃがコントローラ７中の図示しないユリア噴射制御部等に制御信号を出力し、インジェクタ１１に尿素水を噴射させるようになっている。上記の最小値ＸMINは、固定値として設定された値であってもよいし、あるいはエンジン２０の運転状態や触媒温度ＴCに応じてその都度設定されるものとしてもよい。
【００４５】
したがって、図４に示すように、吸着量Ｘは最小値ＸMINから最大値ＸMAXまでの間でおおむね減少方向に変動し、アンモニアが不足しそうになると尿素水の供給により最大値ＸMAXまで補充される。換言すれば、アンモニアの吸着量Ｘは、触媒温度ＴCによって規定される縦軸方向の変動幅の範囲内で、アンモニアの消費速度に応じて周期的に変動する。
【００４６】
アイドル運転状態検出部７ｄ（状態検出手段）は、エンジン２０のアイドル運転状態を検出するものである。アイドル運転状態とは、エンジン２０のアイドル回転が所定時間（例えば、0.1〜数秒程度）以上継続した状態である。また、エンジン２０のアイドル回転は車速Ｖ及びアクセル開度θACに基づいて判定される。例えば、車速Ｖがほぼ０[Km/h]であり、かつ、アクセルペダルの踏み込み操作がない場合に、エンジン２０がアイドル回転であると判定する。
【００４７】
故障判定部７ｅ（判定手段）は、所定の故障判定条件に基づいてNOxセンサ９の故障を判定するものである。ここでは、以下の条件が全て成立したときに、NOxセンサ９が故障したと判定し、報知装置１５を制御して故障を乗員に報知する。
〔条件Ａ〕エンジン２０がアイドル運転状態である
〔条件Ｂ〕SCR触媒５の触媒温度ＴCが活性温度ＴB以上、脱離温度ＴA未満である
〔条件Ｃ〕NOxセンサ９で検出されたNOxの濃度Ｃ1が所定濃度Ｃ0未満である
〔条件Ｄ〕吸着量Ｘが所定吸着量Ｘ0以上である
【００４８】
上記の条件Ｃに係る所定濃度Ｃ0とは、０又は０に近い微小な値である。具体的な値はNOxセンサ９の性能やエンジン２０の種類，排気通路１６の構造等によって異なるが、例えば0〜100[ppm]程度の範囲内で設定することが考えられる。
また、上記の条件Ｄに係る所定吸着量Ｘ0とは、０以上最小値ＸMIN未満の任意の値とする。本実施形態では吸着量Ｘが少なくなると自動的にインジェクタ１１から尿素水が供給されてアンモニアが補充されるため、SCR触媒５上にはアンモニアが常に吸着された状態となる。したがって、吸着量Ｘは最小値ＸMIN未満にならず、上記の条件Ｄが常時成立する。
【００４９】
また、図１に示すように、故障判定部７ｅは誤差演算部７ｆを有している。誤差演算部７ｆ（誤差演算手段）は、上記の故障判定条件に基づいてNOxセンサ９が故障したと判定された場合に、その故障の度合いを判定するものである。すなわち誤差演算部７ｆは、故障判定部７ｅでNOxセンサ９が故障したと判定されると、NOxセンサ９で検出されたNOxの濃度Ｃ1と所定濃度Ｃ0との差ΔＣ（＝Ｃ1−Ｃ0）を周期的に演算し、差ΔＣに基づいて故障の度合いを判定する。
【００５０】
例えば、差ΔＣが常に所定値以上である場合には、NOxセンサ９に確実に故障が生じているものと判定する。また、差ΔＣが常に所定値未満である場合には、NOxセンサ９に故障の兆候が見られるものと判定する。さらに、差ΔＣが０である状態と所定値以上になる状態とが交互に繰り返されるような場合には、NOxセンサ９に何らかの一時的な障害（接触不良等）が生じている可能性もあると判定する。
【００５１】
［４．フローチャート］
図５は、排気浄化装置１０における制御の一例を説明するためのフローチャートである。このフローは、コントローラ７の内部で繰り返し実施されている。
ステップＡ１０では、温度センサ８で検出された排気温度Ｔ1がコントローラ７に入力され、触媒温度検出部７ａにおいてSCR触媒５の触媒温度ＴCが演算される。また、ステップＡ２０では、故障判定部７ｅにおいて、前ステップで演算された触媒温度ＴCが活性温度ＴB以上であり、アンモニアの脱離温度ＴA未満であるか否かが判定される。つまりここでは、上記の条件Ｂが判定される。
【００５２】
ここで、ＴB≦ＴC＜ＴAである場合にはステップＡ３０へ進み、故障の判定が継続される。一方、ＴC＜ＴB、又は、ＴA≦ＴCである場合には、正確な故障判定が望めない状態であるとみなして本フローを終了する。なおこの場合であっても本フローは繰り返し実施されるため、次の周期で再び触媒温度ＴCが判定されることになり、ステップＡ２０の条件が成立するとステップＡ３０へ進む。
【００５３】
ステップＡ３０では、エンジン排出NOx量推定部７ｂにおいて、図３に示すマップに基づいてエンジンアウトNOx量が推定される。なお、エンジン２０がアイドル運転状態は、図３中の左下側（低回転領域の下方）に対応するため、他の運転状態と比較してエンジンアウトNOx量は小さい。
【００５４】
ステップＡ４０では、アンモニア吸着量演算部７ｃにおいて、SCR触媒５に吸着されているアンモニアの吸着量Ｘが演算される。ここでは、この時点までの吸着量Ｘから、エンジンアウトNOx量に対応するアンモニア量が減算されて更新される。NOx量に対応するアンモニア量は、例えば上記の式５から求めることができる。また、このステップで得られる吸着量Ｘは、図４に示すように、エンジン２０の運転状態に応じて時間経過とともに変化する。
【００５５】
ステップＡ５０では、アンモニア吸着量演算部７ｃにおいて、触媒温度ＴCに応じたアンモニアの目標吸着量ＸMAXが設定される。続くステップＡ６０では、更新後の吸着量Ｘが最小値ＸMIN未満であるか否かが判定される。ここで、Ｘ＜ＸMINである場合には吸着量Ｘが不足しつつあるとみなしてステップＡ７０へ進む。
【００５６】
ステップＡ７０では、例えばユリア噴射制御部において、アンモニアの吸着量Ｘが目標吸着量ＸMAXに一致するようにインジェクタ１１が制御され、尿素水がSCR触媒５の上流側の排気通路１６に噴霧供給される。これにより、SCR触媒５におけるアンモニアの吸着量Ｘが補充され、ステップＡ９０へ進む。
また、ステップＡ６０の判定結果がＸ≧ＸMINであった場合には、十分な吸着量Ｘが確保されているとみなされてステップＡ９０へ進む。したがって、ステップＡ６０の判定結果に関わらず、ステップＡ９０の時点で上記の条件Ｄが成立する。
【００５７】
ステップＡ９０では、アイドル運転状態検出部７ｄにおいて、エンジン２０の運転状態が検出される。ここでは、アクセル開度θAC及び車速Ｖに基づいて運転状態が判断される。続くステップＡ１００では、故障判定部７ｅにおいて、エンジン２０運転状態がアイドル運転状態であるか否かが判定される。つまりここでは、上記の条件Ａが判定され、これが成立する場合にはステップＡ１１０に進む。一方、成立しない場合には、正確な故障判定が望めない状態であるとみなして本フローを終了する。
【００５８】
ステップＡ１１０では、NOxセンサ９で検出された濃度Ｃ1がコントローラ７に入力される。続くステップＡ１２０では、故障判定部７ｅにおいて、NOxの濃度Ｃ1が所定濃度Ｃ0未満であるか否かが判定される。ここで、Ｃ1＜Ｃ0である場合にはステップＡ１３０に進み、NOxセンサ９は故障していない（正常である）と判定される。
【００５９】
なお、ステップＡ１１０以降のフローは、排気流量や排気温度が安定しているアイドル運転状態で実行される。また、NOxの還元反応には、SCR触媒５に十分に吸着されているアンモニアが用いられる。これにより、SCR触媒５でのNOxの浄化率が向上し、NOxセンサ９が故障していない限り、検出されるNOxの濃度Ｃ1は所定濃度Ｃ0未満となる。
一方、Ｃ1≧Ｃ0である場合にはステップＡ１４０に進み、NOxセンサ９は故障している可能性があるものと判定される。このとき、誤差演算部７ｆでは、NOxの濃度Ｃ1と所定濃度Ｃ0との差ΔＣが演算される。
【００６０】
続くステップＡ１５０では、コントローラ７により報知装置１５が制御され、NOxセンサ９の故障を検知したことがディスプレイ，ランプ等の表示装置に表示される。また、スピーカ，ブザー等の音響装置からは乗員にNOxセンサ９の交換，メンテナンスを促すアナウンスや警告音が発せられる。
なお、誤差演算部７ｆでは、NOxセンサ９の故障が検知されている間に演算される差ΔＣに基づき、故障の度合いが判定される。ここで判定された故障の度合いについても表示装置に表示され、音響装置から報知される。
【００６１】
［５．効果］
図６（ａ）は、本吸排気システムを搭載した車両の走行試験時におけるエンジン回転数の経時変動を示し、図６（ｂ）はエンジンアウトNOxの演算値及びNOxセンサ９で検出されたNOxの濃度Ｃ1の経時変動を示すグラフである。
【００６２】
図６（ａ）に示すエンジン回転数Ｎｅの最小値Ｎｅ1はエンジン２０のアイドル回転時の回転数である。つまり、時刻ｔ1〜ｔ2間，時刻ｔ3〜ｔ4間，時刻ｔ5〜ｔ6間といったエンジン回転数Ｎｅの変動がない期間は車両が一時停止や信号待ちをした期間であり、ほぼアイドル運転状態に対応する。
【００６３】
図６（ｂ）を参照すると、エンジン回転数Ｎｅがアイドル回転となった後にもエンジンアウトNOxが継続的に検出されている。一方、NOxセンサ９が検出したNOxの濃度Ｃ1は、エンジン回転数Ｎｅがアイドル回転となった時点の直後から急激に低下し、ほぼ全てのNOxが浄化されていることが読みとれる。
つまり、アイドル運転状態（エンジン回転数Ｎｅがアイドル回転のまま所定時間維持された状態）では排気流量，排気温度，触媒温度が全て低く安定した状態となるため、SCR触媒５内にアンモニアが吸着されていれば、そのアンモニアがNOxの還元反応に効率的に消費され、ほぼ100％に近いNOx浄化率が得られる。
【００６４】
したがって、このような条件下でNOxセンサ９の検出値を参照することで、排気通路１６上に設けられたSCR装置４やエンジン２０の故障と、NOxセンサ９の故障とを正確に区別することが可能となり、NOxセンサ９の故障を特定することができる。またこれにより、NOxセンサ９で検出されるNOx濃度の値の信頼性を向上させることができ、より正確な制御が可能となる。
【００６５】
さらに、故障判定を実施するための条件の判定は、簡素な構成で実現でき、従来の吸排気システムへの適用が容易であるというメリットがある。加えて、NOxセンサ９の故障を判断できることから、尿素水の品質の誤認識を防止することも可能となる。また、尿素水の品質管理のためのセンサとしてユリア識別センサを使用していたような従来のSCRシステムと比較すると、上記のシステムではユリア識別センサの代わりに汎用性の高いNOxセンサ９を使用することが可能である。したがって、システム全体のコストを低減させることができる。
【００６６】
また、上記の排気浄化装置１０では、安定したエンジン２０の運転状態下でNOxの浄化率が向上するという特性を利用して、NOxセンサ９の検出値が適切であるか否かを判定している。つまり、NOxセンサ９の検出値が適切であるか否かを確実に判定するための条件（故障判定条件）として、NOxセンサ９以外の要素によってもたらされる外乱要素を極力排除することができ、精度良くNOxセンサ９の故障を特定することができる。
【００６７】
また、上記の排気浄化装置１０は、アイドル運転状態検出部７ｄでアイドル運転状態の判定条件を判定している。これにより、NOxの浄化率が向上する状態を正確に把握することが可能となり、NOxセンサ９の故障判定の精度をさらに高めることができる。特に、アイドル運転状態検出部７ｄでは、エンジン２０のアイドル回転が所定時間以上継続しなければアイドル運転状態であるとは判定されないため、図６（ｂ）に示す時刻ｔ1，ｔ3，ｔ5の直後の、まだNOxの濃度Ｃ1が下がりきっていない状態で故障判定が行われるようなことがない。したがって、故障判定の精度を向上させることができる。
【００６８】
さらに、NOxセンサ９が故障したと判定されたときには、その旨が報知装置１５から乗員に報知されるため、NOxセンサ９の交換や整備等のメンテナンスを促すことができ、車両の吸排気システムを健全な状態としやすくすることができる。
また、上記の排気浄化装置１０は、単にNOxセンサ９の故障の有無を判定するだけでなく、NOxセンサ９の故障が判定されたときに、誤差演算部７ｆでNOxセンサ９の検出値と所定値との差ΔＣを演算して、故障の度合いを判定している。これにより、NOxセンサ９の故障が確実なものであるのか、それとも故障の兆候を示すものであるのかを推定することが可能となる。
【００６９】
［６．変形例］
上述した実施形態に関わらず、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。本実施形態の各構成は、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせてもよい。
【００７０】
上述の実施形態では、四種類の故障判定条件のうち、条件Ｄが常時成立する制御となっているが、具体的な制御態様は車両の種類や吸排気システムの種類に応じて適宜変更することができる。例えば、吸着量Ｘが少なくなったとしても必ずしも自動的にアンモニアが補充されない制御が実施される吸排気システムにおいては、NOxセンサ９の故障判定を実施する前に条件Ｄを判定することが考えられる。この場合、図５中のステップＡ１２０よりも前の工程で条件Ｄを判定するステップを設ければよい。
【００７１】
また、上述の実施形態では、吸気通路１７に設けられたエアフローセンサ１４を用いて吸気量Ｑを検出し、これをエンジンアウトNOx量の推定に用いているが、これの代わりに排気通路上に排気流量センサを設けてもよいし、その他のパラメータを用いてこれに対応する値を演算する構成としてもよい。同様に、エンジン２０に作用する負荷に関しても、トルクセンサ等を用いて検出することとしてもよい。
また、上述の実施形態では、車速Ｖ及びアクセル開度θACに基づいてエンジン２０のアイドル運転状態を検出するものを例示したが、エンジン２０の具体的な運転状態の判定手法に関してもこれに限定されない。
【００７２】
なお、上述の実施形態の排気浄化装置１０は、DPF装置１及びSCR装置４を排気通路１６上に直列配置したものを例示したが、少なくともSCR触媒４及びNOxセンサ９を備えた吸排気システムであれば上記の技術効果を奏する装置を実現することが可能である。
また、上述の実施形態ではディーゼルエンジンの排気系に本発明を適用したものが例示したが、ガソリンエンジンの排気系への適用も可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１  DPF装置
２  DOC触媒
３  フィルタ
４  SCR装置
５  SCR触媒
６  CUC触媒
７  コントローラ
７ａ  触媒温度検出部（触媒温度検出手段）
７ｂ  エンジン排出NOx量推定部
７ｃ  アンモニア吸着量演算部（吸着量演算手段）
７ｄ  アイドル運転状態検出部（状態検出手段）
７ｅ  故障判定部（判定手段）
７ｆ  誤差演算部（誤差演算手段）
８  温度センサ
９  NOxセンサ（排気センサ）
１０  排気浄化装置
１１  インジェクタ
１２  アクセル開度センサ
１３  エンジン回転数センサ
１４  エアフローセンサ
１５  報知装置（報知手段）
１６  排気通路
１７  吸気通路
１８  ターボチャージャー
１９  車速センサ
２０  エンジン
２１  クランクシャフト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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