(57)【要約】【課題】ＮＯｘ生成量を高い精度で推定することができる内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置およびＮＯｘセンサ故障診断装置を提供する。【解決手段】ディーゼルエンジンにおけるＮＯｘ生成量を以下の（３）により算出する（ＳＴ２）。ＮＯｘ生成量＝Ａ×酸素密度補正値×ＮＯｘ生成反応時間補正値              ×ｅｘｐ（Ｂ×酸素濃度）…（３）  ・酸素密度補正値＝筒内の隙間容積／基準隙間容積  ・ＮＯｘ生成反応時間補正値＝基準機関回転速度／機関回転速度  ・Ａ，Ｂ：実験またはシミュレーションにより求められた定数  この算出されたＮＯｘ生成量とＮＯｘセンサにより検出されているＮＯｘ生成量との乖離が所定量以上である場合、ＮＯｘセンサに故障が生じていると判定する（ＳＴ６）。【選択図】図９
2013224613.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮自着火式内燃機関の筒内に向けて燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼する際のＮＯｘ生成量を推定する装置であって、
上記筒内の酸素濃度、酸素密度に応じた補正値、ＮＯｘ生成反応時間に応じた補正値をパラメータとする以下の式（３）
ＮＯｘ生成量＝Ａ×酸素密度補正値×ＮＯｘ生成反応時間補正値
×ｅｘｐ（Ｂ×酸素濃度）  …（３）
・酸素密度補正値＝ＮＯｘ生成反応時間における筒内の隙間容積／基準隙間容積
・ＮＯｘ生成反応時間補正値＝基準機関回転速度／機関回転速度
・Ａ，Ｂ：実験またはシミュレーションにより求められた定数
によってＮＯｘ生成量を推定する構成となっていることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置。
【請求項２】
請求項１記載の内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置において、
上記推定されるＮＯｘ生成量は、筒内に向けて噴射された燃料の単位質量当たりに発生するＮＯｘの質量として算出されることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置。
【請求項３】
請求項１または２記載の内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置において、
上記ＮＯｘ生成量の推定は、筒内の酸素過剰率の変化によるＮＯｘ生成量の影響が小さい高酸素過剰率の運転領域で行われる構成となっていることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置。
【請求項４】
請求項１、２または３記載の内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置において、
上記ＮＯｘ生成量の推定は、燃焼行程での熱発生率の変化勾配の変化によるＮＯｘ生成量の影響が小さい低酸素濃度の運転領域で行われる構成となっていることを特徴とする内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置。
【請求項５】
上記圧縮自着火式内燃機関の排気系にはＮＯｘセンサが設けられており、
請求項１〜４のうち何れか一つに記載の内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置によって推定されたＮＯｘ生成量と、上記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ生成量との乖離が所定量以上である場合に、ＮＯｘセンサに故障が発生していると判定するよう構成されていることを特徴とするＮＯｘセンサ故障診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディーゼルエンジンに代表される内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置、および、このＮＯｘ生成量推定装置によって推定されたＮＯｘ生成量を利用してＮＯｘセンサの故障診断を行うＮＯｘセンサ故障診断装置に係る。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン等のように希薄燃焼を行うエンジンでは、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めている。このため、窒素酸化物（以下、ＮＯｘという）が比較的多く排出されることが懸念される。
【０００３】
このＮＯｘの生成量を低減するための対策として、排気ガスの一部を吸気通路に還流させる排気還流（ＥＧＲ：Ｅｘｈａｕｓｔ  Ｇａｓ  Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ）装置を備えさせることが知られている。つまり、気筒内に向けて排気ガスを還流させることによって気筒内の酸素濃度を低下させ、燃焼温度（火炎温度）を低下させることでＮＯｘの生成を抑制している。
【０００４】
また、大気中へのＮＯｘ排出量を削減することを目的として、エンジンの排気通路に、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒を配置している。ＮＯｘ吸蔵還元型触媒としては、例えばＮＳＲ（ＮＯｘ  Ｓｔｏｒａｇｅ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒や、ＤＰＮＲ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ−ＮＯｘ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍ）触媒などが用いられている。
【０００５】
このＮＯｘ吸蔵還元型触媒にあっては、吸蔵したＮＯｘを還元して排出するためのＮＯｘ還元処理が実施される。このＮＯｘ還元処理では、インジェクタによるポスト噴射等を実行し、これにより、一時的に排気中の酸素濃度を低減し、かつ還元成分（ＨＣ等）の量を増大させる。それにより、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒に吸蔵されているＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出し、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒のＮＯｘ吸蔵能力を回復（再生）させる。
【０００６】
また、上記排気還流量やＮＯｘ還元処理の実行タイミングを、排気系におけるＮＯｘ量に応じて調整する場合、排気系に配設されたＮＯｘセンサによってＮＯｘ量をセンシングし、そのＮＯｘ量に応じたフィードバック制御を行うようにしている。例えば、下記の特許文献１では、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒の下流側に配設したＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ量に応じてＮＯｘ還元処理の実行タイミングを制御することが開示されている。
【０００７】
また、エンジンの燃焼行程でのＮＯｘ生成量を算出するものとして、下記の特許文献２および特許文献３が提案されている。特許文献２には、吸気酸素濃度と筒内圧力とに基づいてＮＯｘ生成量を算出し、ＮＯｘ生成量が所定の目標値に一致するようにスロットル弁、ＥＧＲ装置、過給機を制御することが開示されている。また、特許文献３には、過給圧力および吸入空気量を検出し、標準過給圧力および標準吸入空気量との偏差からＮＯｘ生成量補正係数を求め、標準ＮＯｘ生成量に対してＮＯｘ生成量補正係数による補正を行ってＮＯｘ生成量を推定することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−５４６０４号公報
【特許文献２】特開２００２−３７１８９３号公報
【特許文献３】特開２００７−４０１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、近年、自動車の排気エミッション規制の強化に伴い、燃焼行程でのＮＯｘ生成量の推定精度をいっそう高めることが要求されている。
【００１０】
また、ＮＯｘ生成量が高い精度で推定できるようになれば、上記ＮＯｘセンサの故障診断などに役立てることも可能である。つまり、高い精度で推定されたＮＯｘ生成量に対し、ＮＯｘセンサによって検出されているＮＯｘ生成量の乖離量が所定量以上であった場合にはＮＯｘセンサに故障が生じていると判断することが可能である。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＮＯｘ生成量を高い精度で推定することができる内燃機関のＮＯｘ生成量推定装置およびＮＯｘセンサ故障診断装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
−発明の解決原理−
上記の目的を達成するために講じられた本発明の解決原理は、筒内の酸素濃度に応じて求められるＮＯｘ生成量に対し、筒内の酸素密度、および、ＮＯｘの生成期間である反応時間による補正を行うことで、ＮＯｘの生成量（燃料の単位質量当たりに発生するＮＯｘ質量）を高い精度で推定できるようにしている。また、この高い精度で推定されたＮＯｘ生成量を利用してＮＯｘセンサ故障診断を行うようにしている。
【００１３】
−解決手段−
具体的に、本発明は、圧縮自着火式内燃機関の筒内に向けて燃料噴射弁から噴射された燃料が燃焼する際のＮＯｘ生成量を推定する装置を前提とする。このＮＯｘ生成量推定装置に対し、上記筒内の酸素濃度、酸素密度に応じた補正値、ＮＯｘ生成反応時間に応じた補正値をパラメータとする以下の式（３）
ＮＯｘ生成量＝Ａ×酸素密度補正値×ＮＯｘ生成反応時間補正値×ｅｘｐ（Ｂ×酸素濃度）  …（３）
・酸素密度補正値＝ＮＯｘ生成反応時間における筒内の隙間容積／基準隙間容積
・ＮＯｘ生成反応時間補正値＝基準機関回転速度／機関回転速度
・Ａ，Ｂ：実験またはシミュレーションにより求められた定数
によってＮＯｘ生成量を推定する構成としている。
【００１４】
このように、筒内の酸素濃度に応じて算出されるＮＯｘ生成量に対し、酸素密度による補正およびＮＯｘ生成反応時間による補正を行ってＮＯｘ生成量を推定しているため、ＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００１５】
上記推定されるＮＯｘ生成量として具体的には、筒内に向けて噴射された燃料の単位質量当たりに発生するＮＯｘの質量として算出されるようにしている。
【００１６】
このようにして燃料噴射量に対するＮＯｘ生成量を一般式化することにより、上記式（３）では、燃料噴射量を変数とすることなしにＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００１７】
さらに、上記ＮＯｘ生成量の推定は、筒内の酸素過剰率の変化によるＮＯｘ生成量の影響が小さい高酸素過剰率の運転領域（例えば酸素過剰率が「１．５」以上の運転領域）で行われる構成としている。
【００１８】
ＮＯｘ生成量の推定精度に影響を与える可能性のある物理量として筒内の酸素過剰率が挙げられるが、圧縮自着火式内燃機関にあっては、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めており、筒内の酸素過剰率が比較的高い状態が全運転領域の大部分を占めている。また、筒内の酸素過剰率とＮＯｘ生成量との関係としては、酸素過剰率が比較的低い運転領域にあっては酸素過剰率の上昇に伴ってＮＯｘ生成量も増大していくが、酸素過剰率が比較的高い運転領域にあっては酸素過剰率が上昇してもＮＯｘ生成量は殆ど変化しない。つまり、この酸素過剰率が比較的高い運転領域では、ＮＯｘ生成量に対する酸素過剰率の影響度合いは小さいものである。従って、上記式（３）では、筒内の酸素過剰率を変数とすることなしにＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００１９】
また、上記ＮＯｘ生成量の推定は、燃焼行程での熱発生率の変化勾配の変化によるＮＯｘ生成量の影響が小さい低酸素濃度の運転領域で行われる構成としている。
【００２０】
ＮＯｘ生成量の推定精度に影響を与える可能性のある物理量として、燃焼行程での熱発生率の変化勾配も挙げられるが、圧縮自着火式内燃機関にあっては、排気エミッション規制に対応する酸素濃度域は、比較的低酸素の濃度域となっている。そして、この低酸素濃度域では、燃焼勾配が比較的小さく、ＮＯｘ生成の反応速度も比較的低くなる。このため、上記排気エミッション規制の範囲内にあっては、ＮＯｘ生成量に対する燃焼勾配の影響度合いは小さいものである。従って、上記式（３）は、燃焼勾配を変数とすることなしにＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００２１】
上記推定されたＮＯｘ生成量を利用してＮＯｘセンサの故障診断を行う装置として具体的には以下のものが挙げられる。上記圧縮自着火式内燃機関の排気系にＮＯｘセンサが設けられており、上記解決手段に係るＮＯｘ生成量推定装置によって推定されたＮＯｘ生成量と、上記ＮＯｘセンサによって検出されたＮＯｘ生成量との乖離が所定量以上である場合に、ＮＯｘセンサに故障が発生していると判定する構成としたものである。
【００２２】
これにより、ＮＯｘセンサの故障診断を高い信頼性をもって行うことが可能である。
【発明の効果】
【００２３】
本発明では、筒内の酸素濃度、酸素密度に応じた補正値、ＮＯｘ生成反応時間に応じた補正値をパラメータとしてＮＯｘ生成量を推定している。これにより、ＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】実施形態に係るエンジンおよびその制御系統の概略構成を示す図である。
【図２】ディーゼルエンジンの燃焼室およびその周辺部を示す断面図である。
【図３】ＥＣＵ等の制御系の構成を示すブロック図である。
【図４】ＮＯｘ生成期間を説明するための熱発生率（クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量）の変化を示す波形図である。
【図５】筒内の酸素濃度とＮＯｘ生成量との関係の一例を示す図である。
【図６】酸素密度補正を行った場合の酸素濃度とＮＯｘ生成量との関係の一例を示す図である。
【図７】酸素密度補正に加えて反応時間補正を行った場合の酸素濃度とＮＯｘ生成量との関係の一例を示す図である。
【図８】筒内の酸素過剰率とＮＯｘ生成量との関係の一例を示す図である。
【図９】ＮＯｘセンサ故障診断の手順を示すフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施形態は、自動車に搭載されたコモンレール式筒内直噴型多気筒（例えば直列４気筒）ディーゼルエンジン（圧縮自着火式内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。
【００２６】
−エンジンの構成−
まず、本実施形態に係るディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）の概略構成について説明する。図１は本実施形態に係るエンジン１およびその制御系統の概略構成図である。また、図２は、ディーゼルエンジン１の燃焼室３およびその周辺部を示す断面図である。
【００２７】
図１に示すように、本実施形態に係るエンジン１は、燃料供給系２、燃焼室３、吸気系６、排気系７等を主要部とするディーゼルエンジンシステムとして構成されている。
【００２８】
燃料供給系２は、サプライポンプ２１、コモンレール２２、インジェクタ（燃料噴射弁）２３、機関燃料通路２７等を備えて構成されている。
【００２９】
上記サプライポンプ２１は、燃料タンクから燃料を汲み上げ、この汲み上げた燃料を高圧にした後、機関燃料通路２７を介してコモンレール２２に供給する。コモンレール２２は、高圧燃料を所定圧力に保持（蓄圧）する蓄圧室としての機能を有し、この蓄圧した燃料を各インジェクタ２３，２３，…に分配する。インジェクタ２３は、その内部に圧電素子（ピエゾ素子）を備え、適宜開弁して燃焼室３内に燃料を噴射供給するピエゾインジェクタにより構成されている。
【００３０】
吸気系６は、シリンダヘッド１５（図２参照）に形成された吸気ポート１５ａに接続される吸気マニホールド６３を備え、この吸気マニホールド６３に、吸気通路を構成する吸気管６４が接続されている。また、この吸気通路には、上流側から順にエアクリーナ６５、エアフローメータ４３、吸気絞り弁（ディーゼルスロットル）６２が配設されている。上記エアフローメータ４３は、エアクリーナ６５を介して吸気通路に流入される空気量に応じた電気信号を出力する。
【００３１】
排気系７は、シリンダヘッド１５に形成された排気ポート７１に接続される排気マニホールド７２を備え、この排気マニホールド７２に対して、排気通路を構成する排気管７３が接続されている。また、この排気通路には排気浄化ユニット７７が配設されている。この排気浄化ユニット７７には、ＮＯｘ吸蔵還元型触媒としてのＮＳＲ触媒(排気浄化触媒)７５およびＤＰＦ（Ｄｉｅｓｅｌ  Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｆｉｌｔｅｒ）７６が備えられている。なお、排気浄化ユニット７７としてＤＰＮＲ触媒を適用してもよい。
【００３２】
上記ＮＳＲ触媒７５は、排気中に多量の酸素が存在している状態においてはＮＯｘを吸蔵し、排気中の酸素濃度が低く、かつ還元成分（例えば燃料の未燃成分（ＨＣ））が多量に存在している状態においてはＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出する。ＮＯ2やＮＯとして放出されたＮＯｘは、排気中のＨＣやＣＯと速やかに反応することによってさらに還元されてＮ2となる。また、ＨＣやＣＯは、ＮＯ2やＮＯを還元することで、自身は酸化されてＨ2ＯやＣＯ2となる。即ち、ＮＳＲ触媒７５に導入される排気中の酸素濃度やＨＣ成分を適宜調整することにより、排気中のＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化することができるようになっている。本実施形態のものでは、この排気中の酸素濃度やＨＣ成分の調整を上記インジェクタ２３からの燃料噴射動作（ポスト噴射）や吸気絞り弁６２の開度制御によって行うようになっている。
【００３３】
また、ＤＰＦ７６は、例えば多孔質セラミック構造体で成り、排気ガスが多孔質の壁を通過する際に、この排気ガス中に含まれるＰＭ（Ｐａｔｉｃｕｌａｔｅ  Ｍａｔｔｅｒ：微粒子）を捕集するようになっている。また、このＤＰＦ７６には、ＤＰＦ再生運転時に、上記捕集したＰＭを酸化・燃焼するための触媒（例えば白金等の貴金属を主成分とする酸化触媒）が担持されている。
【００３４】
ここで、エンジン１の燃焼室３およびその周辺部の構成について、図２を用いて説明する。この図２に示すように、エンジン本体の一部を構成するシリンダブロック１１には、各気筒（４気筒）毎に円筒状のシリンダボア１２が形成されており、各シリンダボア１２の内部にはピストン１３が上下方向に摺動可能に収容されている。
【００３５】
ピストン１３の頂面１３ａの上側には上記燃焼室３が形成されている。つまり、この燃焼室３は、シリンダブロック１１の上部に取り付けられたシリンダヘッド１５の下面と、シリンダボア１２の内壁面と、ピストン１３の頂面１３ａとにより区画形成されている。そして、ピストン１３の頂面１３ａの略中央部には、キャビティ（凹陥部）１３ｂが凹設されており、このキャビティ１３ｂも燃焼室３の一部を構成している。
【００３６】
上記ピストン１３は、コネクティングロッド１８によってエンジン出力軸であるクランクシャフトに連結されている。これにより、シリンダボア１２内でのピストン１３の往復移動がコネクティングロッド１８を介してクランクシャフトに伝達され、このクランクシャフトが回転することでエンジン出力が得られるようになっている。
【００３７】
また、燃焼室３に向けてグロープラグ１９が配設されている。このグロープラグ１９は、エンジン１の始動直前に電流が流されることにより赤熱し、これに燃料噴霧の一部が吹きつけられることで着火・燃焼が促進される始動補助装置として機能する。
【００３８】
上記シリンダヘッド１５には、上記吸気ポート１５ａおよび上記排気ポート７１がそれぞれ形成されていると共に、吸気ポート１５ａを開閉する吸気バルブ１６および排気ポート７１を開閉する排気バルブ１７が配設されている。また、シリンダヘッド１５には、燃焼室３の内部へ直接的に燃料を噴射する上記インジェクタ２３が取り付けられている。このインジェクタ２３は、シリンダ中心線Ｐに沿う起立姿勢で燃焼室３の略中央上部に配設されており、上記コモンレール２２から導入される燃料を燃焼室３に向けて所定のタイミングで噴射する。
【００３９】
さらに、図１に示す如く、このエンジン１には、過給機（ターボチャージャ）５が設けられている。このターボチャージャ５は、タービンシャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２およびコンプレッサホイール５３を備えている。コンプレッサホイール５３は吸気管６４内部に臨んで配置され、タービンホイール５２は排気管７３内部に臨んで配置されている。このためターボチャージャ５は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサホイール５３を回転させ、吸気圧を高めるといった所謂過給動作を行うようになっている。本実施形態におけるターボチャージャ５は、可変ノズル式ターボチャージャであって、タービンホイール５２側に可変ノズルベーン機構（図示省略）が設けられており、この可変ノズルベーン機構の開度を調整することにより、エンジン１の過給圧を調整することができる。
【００４０】
吸気系６の吸気管６４には、ターボチャージャ５での過給によって昇温した吸入空気を強制冷却するためのインタークーラ６１が設けられている。
【００４１】
また、エンジン１には、吸気系６と排気系７とを接続する排気還流通路（ＥＧＲ通路）８が設けられている。このＥＧＲ通路８は、排気の一部を適宜吸気系６に還流させて燃焼室３へ再度供給することにより燃焼温度を低下させ、これによってＮＯｘ生成量を低減させるものである。また、このＥＧＲ通路８には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路８を流れる排気流量を自在に調整することができるＥＧＲバルブ８１と、ＥＧＲ通路８を通過（還流）する排気を冷却するためのＥＧＲクーラ８２とが設けられている。これらＥＧＲ通路８、ＥＧＲバルブ８１、ＥＧＲクーラ８２等によってＥＧＲ装置（排気還流装置）が構成されている。
【００４２】
−センサ類−
エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、それぞれの部位の環境条件や、エンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００４３】
例えば、上記エアフローメータ４３は、吸気系６内の吸気絞り弁６２上流において吸入空気の流量（吸入空気量）に応じた検出信号を出力する。レール圧センサ４１はコモンレール２２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。スロットル開度センサ４２は吸気絞り弁６２の開度を検出する。吸気圧センサ４８は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気圧力に応じた検出信号を出力する。吸気温センサ４９は、吸気マニホールド６３に配置され、吸入空気の温度に応じた検出信号を出力する。Ａ／Ｆ（空燃比）センサ４４ａ，４４ｂは、ＮＳＲ触媒７５の上流側および下流側にそれぞれ配設され、排気中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。なお、Ａ／Ｆセンサの配設位置としては、ＮＳＲ触媒７５の上流側のみであってもよいし、ＮＳＲ触媒７５の下流側のみであってもよい。排気温センサ４５ａ，４５ｂは、同じくＮＳＲ触媒７５の上流側および下流側にそれぞれ配設され、排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。なお、排気温センサの配設位置も、ＮＳＲ触媒７５の上流側のみであってもよいし、ＮＳＲ触媒７５の下流側のみであってもよい。また、ＮＯｘセンサ４Ａは、ＮＳＲ触媒７５の上流側に配設され、ＮＳＲ触媒７５の上流側のＮＯｘ量、つまり、エンジン１から排出された排気中のＮＯｘ量に応じた検出信号を出力する。なお、ＮＯｘセンサ４Ａの配設位置としては、ＮＳＲ触媒７５の下流側であってもよいし、ＮＳＲ触媒７５の上流側および下流側の両方であってもよい。
【００４４】
−ＥＣＵ−
ＥＣＵ１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等からなるマイクロコンピュータと入出力回路とを備えている。図３に示すように、ＥＣＵ１００の入力回路には、上記レール圧センサ４１、スロットル開度センサ４２、エアフローメータ４３、Ａ／Ｆセンサ４４ａ，４４ｂ、排気温センサ４５ａ，４５ｂ、吸気圧センサ４８、吸気温センサ４９、ＮＯｘセンサ４Ａが接続されている。さらに、入力回路には、エンジン１の冷却水温に応じた検出信号を出力する水温センサ４６、アクセルペダルの踏み込み量に応じた検出信号を出力するアクセル開度センサ４７、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力するクランクポジションセンサ４０などが接続されている。
【００４５】
一方、ＥＣＵ１００の出力回路には、上記サプライポンプ２１、インジェクタ２３、吸気絞り弁６２、ＥＧＲバルブ８１、および、上記ターボチャージャ５の可変ノズルベーン機構（可変ノズルベーンの開度を調整するアクチュエータ）５４が接続されている。
【００４６】
そして、ＥＣＵ１００は、上記した各種センサからの出力、その出力値を利用する演算式により求められた演算値、または、上記ＲＯＭに記憶された各種マップに基づいて、エンジン１の各種制御を実行する。
【００４７】
例えば、ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３の燃料噴射制御として、パイロット噴射（副噴射）とメイン噴射（主噴射）とを実行する。
【００４８】
上記パイロット噴射は、インジェクタ２３からのメイン噴射に先立ち、予め少量の燃料を噴射する動作である。また、このパイロット噴射は、メイン噴射による燃料の着火遅れを抑制し、安定した拡散燃焼に導くための噴射動作であって、副噴射とも呼ばれる。
【００４９】
上記メイン噴射は、エンジン１のトルク発生のための噴射動作（トルク発生用燃料の供給動作）である。このメイン噴射での噴射量は、基本的には、エンジン回転速度（エンジン回転数）、アクセル操作量、冷却水温度、吸気温度等の運転状態に応じ、要求トルクが得られるように決定される。例えば、エンジン回転速度（クランクポジションセンサ４０の検出値に基づいて算出されるエンジン回転速度；エンジン回転数）が高いほど、また、アクセル操作量（アクセル開度センサ４７により検出されるアクセルペダルの踏み込み量）が大きいほど（アクセル開度が大きいほど）エンジン１のトルク要求値としては高く得られ、それに応じてメイン噴射での燃料噴射量としても多く設定されることになる。
【００５０】
具体的な燃料噴射形態の一例としては、ピストン１３が圧縮上死点に達する前に上記パイロット噴射（インジェクタ２３に形成された複数の噴孔からの燃料噴射）が実行され、燃料噴射が一旦停止された後、所定のインターバルを経て、ピストン１３が圧縮上死点近傍に達した時点で上記メイン噴射が実行されることになる。これにより燃料が自己着火によって燃焼し、この燃焼により発生したエネルギは、ピストン１３を下死点に向かって押し下げるための運動エネルギ（エンジン出力となるエネルギ）、燃焼室３内を温度上昇させる熱エネルギ、シリンダブロック１１やシリンダヘッド１５を経て外部（例えば冷却水）に放熱される熱エネルギとなる。
【００５１】
燃料噴射を実行する際の燃料噴射圧は、コモンレール２２の内圧により決定される。このコモンレール内圧として、一般に、コモンレール２２からインジェクタ２３へ供給される燃料圧力の目標値、即ち目標レール圧は、エンジン負荷（機関負荷）が高くなるほど、および、エンジン回転速度（機関回転速度）が高くなるほど高いものとされる。この目標レール圧は例えば上記ＲＯＭに記憶された燃圧設定マップに従って設定される。なお、本実施形態では、エンジン負荷等に応じて燃料圧力が３０ＭＰａ〜２００ＭＰａの間で調整されるようになっている。
【００５２】
なお、上述したパイロット噴射およびメイン噴射の他に、アフタ噴射やポスト噴射が必要に応じて行われる。これらの噴射の機能は周知である。特に、ポスト噴射は、ＮＯｘ還元処理、Ｓ被毒回復制御、ＤＰＦ再生処理に利用される。
【００５３】
また、ＥＣＵ１００は、エンジン１の運転状態に応じてＥＧＲバルブ８１の開度を制御し、吸気マニホールド６３に向けての排気還流量（ＥＧＲ量）を調整する。このＥＧＲ量は、予め実験やシミュレーション等によって作成されて上記ＲＯＭに記憶されたＥＧＲマップに従って設定される。このＥＧＲマップは、エンジン回転速度およびエンジン負荷をパラメータとしてＥＧＲ量（ＥＧＲ率）を決定するためのマップである。
【００５４】
次に、上記排気浄化ユニット７７に対する各種処理動作について説明する。この処理動作としては、ＮＯｘ還元処理、ＤＰＦ再生処理がある。以下、これら各種処理動作について順に説明する。
【００５５】
−ＮＯｘ還元処理−
一般に、ディーゼルエンジン１では、燃焼室３内で燃焼に供される燃料と空気との混合気の酸素濃度が、殆どの運転領域で高濃度状態にある。燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼に供された酸素を差し引いてそのまま排気中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空燃比：燃焼Ａ／Ｆ）が高ければ、排気中の酸素濃度（空燃比：排気Ａ／Ｆ）も基本的には同様に高くなる。一方、上述したように、ＮＳＲ触媒７５は排気中の酸素濃度が高ければＮＯｘを吸蔵し、酸素濃度が低ければＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出する特性を有するため、排気中の酸素が高濃度状態にある限りＮＯｘを吸蔵することとなる。ただし、ＮＳＲ触媒７５のＮＯｘ吸蔵量には限界量が存在し、このＮＳＲ触媒７５が限界量のＮＯｘを吸蔵した状態では、排気中のＮＯｘがＮＳＲ触媒７５に吸蔵されず触媒ケーシングを素通りすることとなる。
【００５６】
そこで、上記ＥＣＵ１００は、インジェクタ２３によるポスト噴射を実行し、これにより、一時的に排気中の酸素濃度を低減し、かつ還元成分（ＨＣ等）の量を増大させるようにしている。これによりＮＳＲ触媒７５は、吸蔵していたＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元して放出し、自身のＮＯｘ吸蔵能力を回復（再生）するようになる。
【００５７】
なお、ＮＳＲ触媒７５の内部に吸蔵されているＮＯｘ量の推定動作としては、エンジン回転速度や各気筒内への燃料噴射量の履歴情報に基づいて総ＮＯｘ生成量を認識することにより行われる。そして、その推定ＮＯｘ量が、予め設定しておいた所定値（ＮＳＲ触媒７５のＮＯｘ吸蔵能力が飽和する前の適宜値）を越えたときに、上記ポスト噴射の実行によるＮＯｘ還元処理を行って上述した如くＮＳＲ触媒７５のＮＯｘ吸蔵能力を回復（再生）させる。
【００５８】
−ＤＰＦ再生処理−
上記ＥＣＵ１００は、ＰＭがＤＰＦ７６に捕集されている状態をＤＰＦ７６の前後の差圧を検出することにより検知している。詳しくは、排気ガス中のＰＭを取り除くための多孔質セラミック構造体から構成されるＤＰＦ７６の上流側（エンジン１側）と下流側との圧力差を検出する図示しない差圧センサ（差圧トランスデューサ）を設け、この差圧センサからの差圧信号に基づいてＤＰＦ７６でのＰＭ捕集量を求めるようにしている。具体的には、上記差圧が高くなるほどＰＭ捕集量が多いと判断される。
【００５９】
ＤＰＦ再生処理では、ＤＰＦ７６に堆積しているＰＭの堆積量が、ＰＭを除去する必要があるか否かの閾値となる規定量以上となった場合（上記差圧の値が所定値以上となった場合）に、インジェクタ２３のポスト噴射を実行し、これによって、排気管７３に供給された燃料等の還元剤は、ＮＳＲ触媒７５で酸化反応する。ＤＰＦ７６はそのときの酸化熱によって昇温され（例えば６００℃程度に昇温され）、ＤＰＦ７６に捕集されたＰＭを燃焼させて除去できる。また、ＤＰＦ７６に担持されている触媒によってもＰＭは燃焼して除去されることになる。
【００６０】
−ＮＯｘ生成量推定−
本実施形態の特徴は、エンジン１の燃焼行程におけるＮＯｘ生成量の推定動作にある。このＮＯｘ生成量の推定動作の概略について説明する。
【００６１】
このＮＯｘ生成量の推定は、筒内の酸素濃度、酸素密度、および、反応時間を利用して行われる。具体的には、筒内の酸素濃度に応じて算出されるＮＯｘ生成量に対し、酸素密度による補正および反応時間（ＮＯｘ生成期間となる反応時間）による補正を行ってＮＯｘ生成量の推定を行うようにしている。より具体的には、後述する式（３）により、筒内の酸素濃度に応じたＮＯｘ生成量に対して、酸素密度による補正、反応時間による補正が行われてＮＯｘ生成量の算出が行われる。また、ここで推定されるＮＯｘ生成量は、燃料の単位質量当たりに発生するＮＯｘ質量（ｇ／ｇ）である。以下、このＮＯｘ生成量推定の手順について説明する。
【００６２】
まず、一般に燃焼行程において生成されるＮＯｘ量（ＮＯｘ生成量）は、筒内の酸素濃度が高いほど多くなる傾向がある。図５は、この酸素濃度とＮＯｘ生成量（燃料の単位質量当たりに発生するＮＯｘ質量）との関係の一例を示す図である。この両者の関係は以下の式（１）により与えられる。
【００６３】
ＮＯｘ生成量＝Ａ×ｅｘｐ（Ｂ×酸素濃度）  …（１）
ここで、ＡおよびＢは実験またはシミュレーションにより求められた定数であり、エンジン１の機種毎に決定される。例えば、定数Ａは、冷却水などによる冷損が小さいエンジン（気筒内の残熱量が多くなりやすいエンジン）ほど大きな値として設定される。また、定数Ｂは、エンジン１のポンピングロスや吸気管６４内の吸入抵抗の大きさなどに応じて設定され、これらの値が小さいほど定数Ｂは大きな値として設定される。
【００６４】
本実施形態では、この酸素濃度によって求められるＮＯｘ生成量に対して、酸素密度による補正を行う。
【００６５】
具体的には、ＮＯｘが生成される期間は、ピストン１３の圧縮上死点付近（例えばＴＤＣ±１０°ＣＡ）であり、この期間では、ピストン１３の移動方向が変化するため、その期間中における筒内容積の変化は僅かである。
【００６６】
図４は、ＮＯｘ生成期間を説明するための熱発生率（クランク軸の単位回転角度当たりの熱発生量）の変化を示す波形図である。例えば、この図４に実線で示す熱発生率波形での燃焼が行われた場合、図中の期間ＴｎがＮＯｘ生成期間となる。つまり、熱発生率の勾配（上昇勾配）が所定勾配以上である期間中にＮＯｘが生成されることになる。なお、このＮＯｘ生成期間は、筒内の酸素濃度が低い場合には、この期間の終了時期が進角側に移行する。この場合、ＮＯｘ生成期間は短くなる。
【００６７】
上述した如くピストン１３の圧縮上死点付近であるＮＯｘ生成期間Ｔｎでは、筒内容積の変化が僅かであるため、この期間での酸素密度の変化は殆ど無く、この酸素密度は、ピストン１３が圧縮上死点付近にある際の筒内容積（以下、「隙間容積」という）で代用することができる。つまり、隙間容積によって酸素密度は決定されると見なすことができる。また、酸素密度は、予め設定された基準隙間容積に対する上記隙間容積の比（隙間容積／基準隙間容積）として表すことができる。この基準隙間容積は、ＮＯｘ生成量と筒内容積との関係を規定する基準となる隙間容積であって、予め実験やシミュレーションによって、モデルとなるエンジンにおける隙間容積とＮＯｘ生成量との関係（エンジンの固有値）を規定するものとして設定されている。以下では、この基準隙間容積に対する上記隙間容積（対象とするエンジン１の実隙間容積）の比（隙間容積／基準隙間容積）を「酸素密度補正値」と呼ぶこととする。つまり、この酸素密度補正値は、モデルとなるエンジンのＮＯｘ生成量に対し、対象とするエンジンでのＮＯｘ生成量の比として与えられる。
【００６８】
図６は、この酸素密度補正値による補正を行った場合の酸素濃度とＮＯｘ生成量との関係の一例を示す図である（図５に示す曲線よりも僅かに曲率が大きくなっている）。この場合の両者の関係式としては、以下の式（２）となる。
【００６９】
ＮＯｘ生成量＝Ａ×酸素密度補正値×ｅｘｐ（Ｂ×酸素濃度）  …（２）
このようにして酸素密度による補正を行ったことで求められるＮＯｘ生成量に対して、反応時間による補正を行う。
【００７０】
具体的には、ＮＯｘが生成される期間は、エンジン１の高回転域では短く、低回転域では長くなる。つまり、エンジン１の回転速度が高いほどＮＯｘが生成される時間としては短くなる。そして、この反応時間が長いほど（エンジン１の回転速度が低いほど）ＮＯｘ生成量は多くなる（筒内温度が同一である場合）。図４の実線はエンジン１の回転速度が比較的低い場合の熱発生率波形を、一点鎖線はエンジン１の回転速度が比較的高い場合の熱発生率波形をそれぞれ示している。このように、エンジン１の回転速度が高い場合には、燃焼期間中におけるクランクシャフトの回転角度が大きくなる。
【００７１】
ここでは、実際のエンジン回転速度に対し、予め設定された基準エンジン回転速度の比（基準エンジン回転速度／エンジン回転速度）を「ＮＯｘ生成反応時間補正値」として、上記酸素密度による補正が行われたことで求められたＮＯｘ生成量に対して、このＮＯｘ生成反応時間補正値による補正を行うようにしている。
【００７２】
図７は、このＮＯｘ生成反応時間補正値による補正を行った場合の酸素濃度とＮＯｘ生成量との関係の一例を示す図である（図６に示す曲線よりも僅かに曲率が大きくなっている）。この場合の両者の関係式としては、以下の式（３）となる。
【００７３】
ＮＯｘ生成量＝Ａ×酸素密度補正値×ＮＯｘ生成反応時間補正値×ｅｘｐ（Ｂ×酸素濃度）  …（３）
以上のようにして、筒内の酸素濃度、酸素密度、ＮＯｘ生成反応時間からＮＯｘ生成量の推定が行われる。
【００７４】
なお、ＮＯｘ生成量の推定精度に影響を与える可能性のある物理量およびパラメータとしては、筒内の酸素過剰率、燃料噴射時期、燃焼勾配（熱発生率の単位時間当たりの変化量）、燃料噴射量が挙げられる。以下、これらについて説明する。
【００７５】
（筒内の酸素過剰率）
ディーゼルエンジン１にあっては、高い空燃比（リーン雰囲気）の混合気を燃焼させる運転領域が全運転領域の大部分を占めている。つまり、筒内の酸素過剰率が比較的高い状態（例えば酸素過剰率が「１．５」以上である状態）が全運転領域の大部分を占めている。また、筒内の酸素過剰率とＮＯｘ生成量との関係は、図８に一例を示すように、酸素過剰率が比較的低い運転領域にあっては酸素過剰率の上昇に伴ってＮＯｘ生成量も増大していくが、酸素過剰率が比較的高い運転領域にあっては酸素過剰率が上昇してもＮＯｘ生成量は殆ど変化しない。つまり、この酸素過剰率が比較的高い運転領域（ディーゼルエンジン１の運転領域の大部分：例えば酸素過剰率が「１．５」以上の運転領域）では、ＮＯｘ生成量に対する酸素過剰率の影響度合いは小さいものである。
【００７６】
従って、上記式（３）は、筒内の酸素過剰率を変数とすることなしにＮＯｘ生成量を算出するものとなっている。つまり、筒内の酸素過剰率を考慮しなくてもＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００７７】
（燃料噴射時期）
近年の排気エミッション規制の強化に伴い燃料噴射時期としては遅角側への制限（遅角限界）が設定されている。これは、遅角側で燃料噴射を行う場合には、目標エンジントルクを得るための噴射量が多くなってしまって排気エミッションの悪化に繋がるためである。このように燃料噴射量が制限されることから、上記遅角限界の範囲内で燃料噴射が行われる限りにあっては（上記排気エミッション規制の範囲内にあっては）、ＮＯｘ生成量に対する燃料噴射時期の影響度合いは小さいものである。
【００７８】
従って、上記式（３）は、燃料噴射時期を変数とすることなしにＮＯｘ生成量を算出するものとなっている。つまり、燃料噴射時期を考慮しなくてもＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００７９】
（燃焼勾配）
上記排気エミッション規制に対応する酸素濃度域は、比較的低酸素の濃度域となっている。そして、この低酸素濃度域では、燃焼勾配が比較的小さく、ＮＯｘ生成の反応速度も比較的低くなる。このため、上記排気エミッション規制の範囲内にあっては、ＮＯｘ生成量に対する燃焼勾配の影響度合いは小さいものである。
【００８０】
従って、上記式（３）は、燃焼勾配を変数とすることなしにＮＯｘ生成量を算出するものとなっている。つまり、燃焼勾配を考慮しなくてもＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００８１】
（燃料噴射量）
上述した如く、上記式（３）で算出されるＮＯｘ生成量は、燃料の単位質量当たりに発生するＮＯｘ質量（ｇ／ｇ）である。つまり、燃料噴射量に対するＮＯｘ生成量を一般式化したものとなっている。このため、上記式（３）は、燃料噴射量を変数とすることなしにＮＯｘ生成量を算出するものとなっている。つまり、上記式（３）によってＮＯｘ生成量を推定する場合には、燃料噴射量を考慮しなくてもＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。
【００８２】
なお、燃料噴射量が変化した場合、熱発生率波形も変化する。例えば、図４に示すように、燃料噴射量が比較的少ない際の熱発生率波形が図中に破線で示すものであった場合に、燃料噴射量が多くなると、例えば図中に実線で示す熱発生率波形となる。このように燃料噴射量の変化にともなって熱発生率波形が変化したとしても、ＮＯｘ生成量としては、上記式（３）によって推定されることになる。具体的には、燃料噴射量が少ない場合（破線で示す熱発生率波形の場合）に比べて、燃料噴射量が多い場合（実線で示す熱発生率波形の場合）の方が、熱発生率の勾配が所定勾配以上である期間が長いため、ＮＯｘ生成量としても多くなる傾向にある。
【００８３】
−ＮＯｘセンサ故障診断−
次に、上述の如く推定したＮＯｘ生成量を利用したＮＯｘセンサ４Ａの故障診断の手順について図９のフローチャートに沿って説明する。このフローチャートはエンジン１の始動後、所定時間毎（例えば数ｍｓｅｃ毎）に実行される。
【００８４】
まず、ステップＳＴ１において、上記ＮＯｘセンサ４Ａの出力信号に基づくＮＯｘ生成量のセンシング値を取得する。
【００８５】
次に、ステップＳＴ２において、上記式（３）を利用して推定ＮＯｘ生成量の算出（筒内の酸素濃度、酸素密度による補正、ＮＯｘ生成反応時間による補正を行うことによるＮＯｘ生成量の算出）を行う。
【００８６】
そして、ステップＳＴ３では、上記ステップＳＴ１で取得したＮＯｘ生成量のセンシング値と、上記ステップＳＴ２で算出した推定ＮＯｘ生成量との乖離量ΔＮＯｘを以下の式（４）によって算出する。
【００８７】
ΔＮＯｘ＝｜ＮＯｘ生成量センシング値−推定ＮＯｘ生成量｜  …（４）
その後、ステップＳＴ４に移り、この乖離量ΔＮＯｘが所定乖離量α以下であるか否かを判定し、この乖離量ΔＮＯｘが所定乖離量α以下であって、ステップＳＴ４でＹＥＳ判定された場合には、ステップＳＴ５で、ＮＯｘセンサ４Ａは正常であると診断されてリターンされる。上記乖離量αとしては、実験またはシミュレーションによって適宜設定される。
【００８８】
一方、上記乖離量ΔＮＯｘが所定乖離量αを超えており、ステップＳＴ４でＮＯ判定された場合には、ステップＳＴ６で、ＮＯｘセンサ４Ａに故障が生じていると診断され、例えば、車室内のメータパネル上のＭＩＬ（警告灯）を点灯させて運転者に警告を促すと共に、上記ＥＣＵ１００に備えられたダイアグノーシスに異常情報が書き込まれることになる。
【００８９】
以上説明したように、本実施形態では、筒内の酸素濃度、酸素密度、および、ＮＯｘ生成反応時間を利用してＮＯｘ生成量を推定するようにしている。つまり、筒内の酸素濃度に応じて算出されるＮＯｘ生成量に対し、酸素密度による補正およびＮＯｘ生成反応時間（ＮＯｘ生成期間となる反応時間）による補正を行ってＮＯｘ生成量の推定を行うようにしている。このため、ＮＯｘ生成量を高い精度で推定することが可能である。そして、この高い精度で推定されたＮＯｘ生成量を利用してＮＯｘセンサ４Ａの故障診断を行うようにしているため、この故障診断も高い信頼性をもって行うことが可能である。
【００９０】
なお、本発明の発明者らは、本発明の汎用性を確認するために、他の機種のエンジン（排気量が異なるエンジン等）についても同様のＮＯｘ生成量推定動作によって推定ＮＯｘ生成量と実際に生成されたＮＯｘ量とを比較する検証を行った。その結果、何れの機種についても、高い精度で推定ＮＯｘ生成量が得られていることを確認している。
【００９１】
−他の実施形態−
以上説明した実施形態は、自動車に搭載される直列４気筒ディーゼルエンジンに本発明を適用した場合について説明した。本発明は、自動車用に限らず、その他の用途に使用されるエンジンにも適用可能である。また、気筒数やエンジン形式（直列型エンジン、Ｖ型エンジン、水平対向型エンジン等の別）についても特に限定されるものではない。
【００９２】
また、上記実施形態では、通電期間においてのみ全開の開弁状態となることにより燃料噴射率を変更するピエゾインジェクタ２３を適用したエンジン１について説明したが、本発明は、可変噴射率インジェクタを適用したエンジンへの適用も可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９３】
本発明は、自動車に搭載されるディーゼルエンジンにおいて、ＮＯｘ生成量の推定およびＮＯｘセンサの故障診断に適用可能である。
【符号の説明】
【００９４】
１      エンジン（内燃機関）
１２    シリンダボア
２３    インジェクタ（燃料噴射弁）
３      燃焼室
４０    クランクポジションセンサ
４Ａ    ＮＯｘセンサ
７      排気系
１００  ＥＣＵ
【図１】
2013224613.tif 000003
【図２】
2013224613.tif 000004
【図３】
2013224613.tif 000005
【図４】
2013224613.tif 000006
【図５】
2013224613.tif 000007
【図６】
2013224613.tif 000008
【図７】
2013224613.tif 000009
【図８】
2013224613.tif 000010
【図９】
2013224613.tif 000011