JP2004324477A - 排気浄化システムの不具合判定方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】排気中のＮＯｘを吸蔵還元するＮＯｘ触媒の上流側に、酸化機能を有する触媒を備え、排気温度に応じて排気に燃料を添加する制御を行う内燃機関の排気浄化システムにおいて、該排気浄化システムを構成する各要素の機能の低下をより正確に不具合と判定する方法を提供する。
【解決手段】上記の内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との温度差を検出又は推定し、排気の温度が所定の排気温度となるべく排気に燃料を添加する制御によって排気への燃料の添加が行われる際に添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき（Ｓ１００）、検出又は推定された前記排気温度差が所定温度差以上である場合には（Ｓ１０１）前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化していると判定する（Ｓ１０２）。
【選択図】図２
【解決手段】上記の内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との温度差を検出又は推定し、排気の温度が所定の排気温度となるべく排気に燃料を添加する制御によって排気への燃料の添加が行われる際に添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき（Ｓ１００）、検出又は推定された前記排気温度差が所定温度差以上である場合には（Ｓ１０１）前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化していると判定する（Ｓ１０２）。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化を行う排気浄化システムにおいて、該排気浄化システムを構成する要素の不具合を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に希薄燃焼を行う内燃機関から排出される排気を浄化すべく、排気に含まれる物質を酸化する機能を有する触媒、例えば吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という）を担持したフィルタと、該フィルタの上流側に更にＮＯｘ触媒を設けることで、排気中に含まれる微粒子状物質を捕集するとともに、排気中のＮＯｘを高い浄化率で浄化する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。しかし、該フィルタの上流側に設けられているＮＯｘ触媒の触媒機能である排気中の物質を酸化する機能が劣化すると、排気の浄化が十分に行われない。
【０００３】
また、フィルタに担持されたＮＯｘ触媒は、排気が高酸素濃度状態である場合は排気中に含まれるＮＯｘを触媒内へと吸蔵し、触媒周囲の雰囲気が低酸素濃度状態で且つ還元成分である燃料の未燃成分が存在している場合等は、触媒内に吸蔵されているＮＯｘを還元することで排気中のＮＯｘを浄化する触媒である。そこで、排気温度に応じて還元剤として排気に添加される燃料の粒径を調整することで、触媒内に吸蔵されているＮＯｘをより効率的に還元する技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００４】
しかし、上流側のＮＯｘ触媒の触媒機能である排気中の物質を酸化する機能が劣化すると、該フィルタに流入する排気の温度が上昇せずに、結果的に多量の燃料がフィルタに流入し、該フィルタに担持されたＮＯｘ触媒によって燃料が酸化されることで、フィルタの温度が急激に上昇し、フィルタが溶損する虞がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２９９５０号公報
【特許文献２】
特開２０００−２４０４２９号公報
【特許文献３】
特開２００２−１２２０１９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２２７６３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流側に酸化機能を有する触媒、例えば更にＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて排気の浄化を行う場合、例えば該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの還元を行う場合には、排気中に燃料もしくは燃料が改質された炭化水素（以下、単に「燃料」という）が添加される。添加された燃料の一部が上流側の触媒で該燃料が酸化されることで、下流側のＮＯｘ触媒に流入する排気温度が上昇する。それとともに添加された燃料が該ＮＯｘ触媒に供給されることで、該ＮＯｘ触媒に流入する排気が、高温且つリッチ状態となり、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの還元が行われる。
【０００７】
ここで、ＮＯｘの還元を効率的に行うために、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を適切な温度にすべく排気に含まれる燃料の量を制御する必要があるが、上流側の触媒の酸化機能が低下すると、排気中に含まれる燃料の量が増加しても排気温度が上昇しない。その結果、本来上流側において酸化反応によって酸化される燃料が該ＮＯｘ触媒に流入するため、過剰な燃料によって該ＮＯｘ触媒の急激な温度上昇が生じ、該ＮＯｘ触媒が熱劣化もしくは溶損する虞がある。このような該ＮＯｘ触媒の熱劣化等の問題は、吸蔵されたＮＯｘの還元時に限られるのではなく、排気温度に応じて排気へ燃料を添加する制御を行うときに起こり得るものである。従って、内燃機関の排気浄化システムにおいて、その構成要素の機能の低下を予め判断することが必要となる。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、排気中のＮＯｘを吸蔵還元するＮＯｘ触媒の上流側に、更に酸化機能を有する触媒を備え、排気温度に応じて排気に燃料を添加する制御を行う内燃機関の排気浄化システムにおいて、該排気浄化システムを構成する各要素の本来の機能が低下しているか否かをより正確に判断し、該要素の機能が低下している場合には該要素の不具合と判定する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との差に着目した。これは、内燃機関の排気浄化システムに何らかの不具合が生じたときに、ＮＯｘ触媒の上流側に設けられる触媒の酸化機能が低下したのであれば、排気に添加された燃料が酸化されにくくなるため、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度があまり上昇しないとともに、ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれる燃料の量が増加するためにＮＯｘ触媒での酸化反応で、ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度は上昇し、その結果ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との排気温度差が大きくなることによる。
【００１０】
そこで、排気通路に設けられ、排気に含まれる物質を酸化する機能を有する前段排気浄化触媒と、前記前段排気浄化触媒の下流側の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒と、前記前段排気浄化触媒と前記ＮＯｘ触媒の間の排気通路を流れる排気の温度を検出する排気温度検出手段と、少なくとも前記排気温度検出手段によって検出された排気温度に基づいて、前記前段排気浄化触媒の上流側の排気通路を流れる排気に燃料を添加する燃料添加手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差を検出又は推定し、前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気に燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき、検出又は推定された前記排気温度差が所定温度差以上である場合には前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化していると判定する。
【００１１】
前記内燃機関の排気浄化システムにおいては、燃焼室から排出された排気は、前段排気浄化触媒を経た後に前記ＮＯｘ触媒に流入する。従って、排気中に含まれるＮＯｘは、主に前記ＮＯｘ触媒に吸蔵される。ここで、前記ＮＯｘ触媒での吸蔵ＮＯｘ量が増加するに従いＮＯｘ触媒の浄化能力が低下するため、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度や空燃比を一定の条件とすることで、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元、放出し、前記ＮＯｘ触媒の浄化能力を回復させる必要がある。ここで、該ＮＯｘ触媒の浄化能力の回復のための排気の温度等の制御を、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元制御という。
【００１２】
また、前記ＮＯｘ触媒には、排気中に含まれるＳＯｘも吸蔵され、前記ＮＯｘ触媒でのＳＯｘ吸蔵量が増加するに従い、前記ＮＯｘ触媒の触媒機能が低下する。従って、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度や空燃比を一定の条件とすることで、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出し、前記ＮＯｘ触媒の浄化能力を回復させる必要がある。該ＮＯｘ触媒の浄化能力の回復のための排気の温度等の制御を、該ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生制御という。
【００１３】
ここで、前記ＮＯｘ触媒の還元制御やＳＯｘ被毒再生制御においては、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を適切な温度に昇温させるとともに、該排気中に還元剤としての燃料を含有させる必要がある。そこで、前記燃料添加手段によって、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気、即ち、前記前段排気浄化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間を流れる排気の温度を制御すべく、排気中に燃料を添加する。
【００１４】
従って、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を上昇させる必要がある場合は、前記燃料添加手段によって排気中に燃料を添加することで、該添加された燃料の一部が前記前段排気浄化触媒で酸化された結果、排気温度が上昇する。それとともに残りの添加された燃料が前記ＮＯｘ触媒に供給され、前記ＮＯｘ触媒の触媒機能の回復制御に必要な排気の空燃比が形成される。尚、前記燃料添加手段による排気への燃料の添加は、上述のＮＯｘ触媒の触媒機能の回復を目的としたものに限られず、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を制御するために行われるものであればよい。
【００１５】
ここで、前記所定の添加量とは、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を目標の温度に上昇させるのに添加されるために燃料の添加量として定義される。そこで、前記燃料添加手段によって排気に前記所定の添加量分の燃料が添加され、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を目標の温度に上昇させる場合において、前記前段排気浄化触媒において排気の昇温を十分に図ることができないときは、更に排気の昇温を促進するために前記燃料添加手段によって排気へ添加されるべき燃料の量が増量される。即ち、前記前段排気浄化触媒での酸化による発熱量の増加を促すために、前記所定の添加量を越える量の燃料が添加されるべきであると判断される。
【００１６】
しかし、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化することによっても、前記燃料添加手段による添加量が前記所定の添加量を越えた量となるが、前記排気浄化システムにおいては前記前段排気浄化触媒の他にも構成要素が存在するため、その他の構成要素の不具合に起因した燃料の添加量が増量することが考えられる。
【００１７】
そこで、前記排気浄化システムにおいては、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化しているか否かを、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度と、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との排気温度差に基づいて判断する。即ち、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化することによって排気の昇温が鈍化するため、排気温度の上昇を促進すべく前記燃料添加手段による燃料の添加量が増加する。その結果、前記ＮＯｘ触媒にも多量の燃料が流入するため、前記ＮＯｘ触媒における燃料の酸化によって前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度は高くなる。
【００１８】
従って、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化する場合は、該酸化機能が劣化していない場合に比べ、前段排気浄化触媒の上流側と下流側の排気温度との差が顕著となる。そこで、該排気温度差が、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化したと判断される温度差として定義される前記所定の温度差以上となることをもって、前記前段排気浄化触媒の酸化機能と判断するのである。
【００１９】
これにより、該排気浄化システムを構成する要素である前段排気浄化触媒の本来の機能が低下しているか否かを判断し、該要素の機能が低下している場合には該要素の不具合と判定することが可能となる。
【００２０】
また、前記ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒が担持されたフィルタであって、排気に含まれる粒子状物質を捕集することができる排気浄化手段であってもよい。
【００２１】
ここで、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差の検出については、次のように行われる。前記排気浄化システムにおいて、前記排気温度検出手段を第一排気温度検出手段とし、そして、更に前記ＮＯｘ触媒の下流の排気通路を流れる排気の温度を検出する第二排気温度検出手段が備えられる。そこで、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差は、前記第二排気温度検出手段によって検出された排気温度と前記第一排気温度検出手段によって検出された排気温度との差より、算出される。
【００２２】
即ち、前記排気温度検出手段である前記第一排気温度検出手段は、前記燃料添加手段による燃料の添加の基準となる排気温度を検出するとともに、前記ＮＯｘ触媒の酸化機能の劣化を判断するための排気温度差における前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を検出することになる。尚、前記燃料添加手段による燃料の添加の基準となる排気温度の検出と、前記ＮＯｘ触媒の酸化機能の劣化を判断するための排気温度差における前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度の検出を、異なる排気温度検出手段によって行ってもよい。
【００２３】
また、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差の検出については、更に次のように行うことも可能である。即ち、前記排気浄化システムにおいて、更に、前記ＮＯｘ触媒の下流の排気通路を流れる排気の空燃比を検出する排気空燃比検出手段が備えられる。そこで、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差は、前記排気温度検出手段によって検出される排気温度と前記排気空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比とから推定する。
【００２４】
即ち、前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられた排気空燃比検出手段によって検出された排気空燃比は、前記ＮＯｘ触媒を経た排気の空燃比であるから、前記ＮＯｘ触媒における酸化反応で消費された燃料の量を推定することが可能と考えられる。そこで、推定された消費燃料量から前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度が推定され、該推定された排気温度と、前記排気温度検出手段によって検出された前記ＮＯｘ触媒の上流側の排気温度より、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差を検出することが可能となる。
【００２５】
ここで、先述までの内燃機関の排気浄化システムにおいては、排気浄化システムの構成要素である前記前段排気浄化触媒の不具合が判定される。しかし、該排気浄化システムにおいて、前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が前記所定の添加量を越える場合には、前記前段排気浄化触媒の他に、前記燃料添加手段自身の不具合が考えられる。
【００２６】
そこで、前記排気浄化システムにおいて、更に、前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気に燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき、検出された前記排気温度差が所定温度差より小さい場合には前記燃料添加手段の燃料添加機能が劣化していると判定する。
【００２７】
即ち、先述したように、前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気へ燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるときとは、前記前段排気浄化触媒による排気の温度上昇が適切に行われていないことに起因する。この排気温度の上昇が適切に行われない要因としては、先述した前段排気浄化触媒の酸化機能の劣化の他に、前記燃料添加手段の燃料添加機能の劣化が考えられる。ここで、前記燃料添加手段の燃料添加機能とは、排気に対して添加すべき量の燃料をより正確に添加する機能をいい、その燃料添加機能の劣化には、例えば、前記燃料添加手段が燃料添加弁である場合には、該燃料添加弁の目詰まり等が挙げられる。
【００２８】
そこで、検出された前記排気温度差が前記所定温度差より低い場合には、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化したとは判断せずに、前記燃料添加手段の燃料添加機能が劣化していると判断する。これにより、該排気浄化システムを構成する要素である燃料添加手段の本来の機能が低下しているか否かを判断し、該要素の機能が低下している場合には該要素の不具合と判定することが可能となる。
【００２９】
また、上記までの排気浄化システムの不具合を判定する方法については、前記排気浄化システムを含めた一のシステムとしても構成することも可能である。即ち、前記排気浄化システムは、更に、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差を検出する検出手段と、先述した前記前段排気浄化触媒の不具合と、それに加えて前記燃料添加手段の不具合を判定する不具合判定手段と、を備えるシステムとして構成され得る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの不具合判定方法の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される排気浄化システム、該排気浄化システムを含む内燃機関１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【００３１】
内燃機関１は、４つの気筒２を有する内燃機関である。また、気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。燃料噴射弁３は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室４と接続されている。蓄圧室４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。
【００３２】
次に、内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、気筒２の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。ここで、気筒２の燃焼室と吸気ポートとの連通は、吸気弁（図示略）の開閉によって行われる。また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。吸気管８には、該吸気管８内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ９が取り付けられている。前記吸気管８における吸気枝管７の直上流に位置する部位には、該吸気管８内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１０が設けられている。この吸気絞り弁１０には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１０を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１１が取り付けられている。
【００３３】
ここで、エアフローメータ９と吸気絞り弁１０との間に位置する吸気管８には、排気のエネルギーを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１７のコンプレッサハウジング１７ａが設けられ、コンプレッサハウジング１７ａより下流の吸気管８には、前記コンプレッサハウジング１７ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１８設けられている。
【００３４】
一方、内燃機関１には排気枝管１２が接続され、排気枝管１２の各枝管が排気ポートを介して気筒２の燃焼室と連通している。ここで、気筒２の燃焼室と排気ポートとの連通は、排気弁（図示略）の開閉によって行われる。また、排気枝管１２の側面には、排気枝管１２を流れる排気に対して燃料を添加する燃料添加弁３０が設けられている。
【００３５】
また、前記排気枝管１２は、前記遠心過給機１７のタービンハウジング１７ｂと接続されている。前記タービンハウジング１７ｂは、排気管１３と接続され、この排気管１３は、下流にてマフラー（図示略）に接続されている。更に、排気管１３の途中には、内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して排気の浄化を行うＮＯｘ触媒１６ｂが設けられている。そしてＮＯｘ触媒１６ｂの上流には、排気中に含まれる物質を酸化する機能を有する触媒、例えばＮＯｘ触媒１６ｂと同様のＮＯｘ触媒が前段排気浄化触媒１６ａとして設けられている。尚、ＮＯｘ触媒１６ｂに代えて、ＮＯｘ触媒が担持されたフィルタであって排気中の粒子状物質を捕集する機能を有する排気浄化手段を用いてもよい。
【００３６】
更に、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流の排気管１３には、該排気管１３内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁１４が設けられている。この排気絞り弁１４には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁１４を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ１５が取り付けられている。
【００３７】
ここで、燃料噴射弁３および燃料添加弁３０は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔと称する）２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３および燃料添加弁３０における燃料の噴射時期および噴射量が燃料噴射弁毎に制御される。
【００３８】
更に、アクセル開度センサ１９がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関出力等を算出する。また、クランクポジションセンサ３４がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や気筒２におけるサイクルの状態等を算出する。
【００３９】
また、前段排気浄化触媒１６ａとＮＯｘ触媒１６ｂとの間の排気管１３には、該区間を流れる排気、即ち前段排気浄化触媒１６ａから流出しＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を検出する上流側排気温度センサ３１が、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流の排気管１３にはＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度を検出する下流側排気温度センサ３２が設けられている。更に、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流の排気管１３であって下流側排気温度センサ３２の近傍には、ＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の空燃比を検出する排気空燃比センサ３３が設けられている。
【００４０】
上流側排気温度センサ３１、下流側排気温度センサ３２および排気空燃比センサ３３は、それぞれＥＣＵ２０は電気的に接続されている。これらのセンサと、前段排気浄化触媒１６ａおよび、ＮＯｘ触媒１６ｂ等で構成される排気浄化システムによって、排気の浄化が行われる。そこで、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ触媒１６の排気浄化能力を再生させるために、上流側排気温度センサ３１によって検出された排気温度や排気空燃比センサ３３によって検出された空燃比の値に基づいてＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度や排気の空燃比を制御する。
【００４１】
例えば、ＮＯｘ触媒１６ｂに吸蔵されたＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を上昇させ、且つ該排気の空燃比をリッチ状態とするＮＯｘ還元制御、ＮＯｘ触媒１６ｂに吸蔵されたＳＯｘを離脱させるためにＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を上昇させ、且つ該排気の空燃比を交互にリッチ側の空燃比とリーン側の空燃比に切り替えるいわゆるＳＯｘ被毒再生制御や、ＮＯｘ触媒１６ｂに代えてＮＯｘ触媒が担持されたフィルタが設けられている場合には該フィルタに捕集されている粒子状物質を酸化し除去するために該フィルタに流入する排気の温度を上昇させ、且つ該排気の空燃比を適切な空燃比に制御するフィルタ再生制御等が挙げられる。
【００４２】
このとき、ＥＣＵ２０より燃料添加弁３０に対して噴射指令が出されることで、排気温度および排気の空燃比が調整される。燃料添加弁３０より排気中に噴射された燃料の一部は、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能によって酸化されることで、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度が上昇する。更に、残りの燃料が、ＮＯｘ触媒１６ｂに供給されることで、各再生制御に必要な排気の空燃比が形成される。
【００４３】
この排気温度と排気の空燃比に関する制御は、上流側排気温度センサ３１によって検出された排気温度および排気空燃比センサ３３によって検出された空燃比に基づいて、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度と空燃比を推定し、その推定される空燃比が所定の排気温度と排気の空燃比となるように、燃料添加弁３０による燃料の添加量を制御するものである。ＮＯｘ触媒１６ｂにおける排気温度と上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度との関係、およびＮＯｘ触媒１６ｂにおける排気の空燃比と排気空燃比センサ３３によって検出される空燃比との関係は、予め実験等で求めておきマップとしてＥＣＵ２０内のＲＯＭに格納しておけばよい。
【００４４】
ここで、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する流入する排気の温度を上昇させるには、ＥＣＵ２０が上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度に基づいて、燃料添加弁３０による排気への燃料の添加量を調整するのは先述の通りであるが、排気に燃料を添加しているにもかかわらず排気温度が適切な温度に上昇しない場合には、排気浄化システムの不具合として、排気浄化システムを構成し排気温度の上昇に大きく起因する前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能の劣化、もしくは燃料添加弁３０の目詰まり等による不正確な量の燃料添加が起こると考えられる。更に、このような不具合が生じている状態では、結果的にＮＯｘ触媒１６ｂに供給される排気の温度を正確に制御することが困難となり、先述したＮＯｘ還元制御等が確実に行われなくなるだけではなく、ＮＯｘ触媒１６ｂに過剰の燃料が供給されることでＮＯｘ触媒１６ｂが過度に昇温し、ＮＯｘ触媒１６ｂが熱劣化もしくは溶損する虞が生じる。
【００４５】
そこで、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を制御する場合において、前段排気浄化触媒１６ａもしくは燃料添加弁３０の不具合を判定する制御について、図２に基づいて説明する。図２はＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度制御時における排気浄化システムの不具合を判定する制御のフローチャートである。また、該不具合判定制御は、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度に基づいて制御する必要がある場合、例えば先述したＮＯｘ還元制御、ＳＯｘ被毒再生制御などが行われる場合に、ＥＣＵ２０によって実行される。
【００４６】
先ず、Ｓ１００においては、燃料添加弁３０によって添加されるべき燃料の量が、所定の添加量より多いか否かが判断される。ここで、添加されるべき燃料の量とは、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を所定の温度とするために、上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度に基づいてＥＣＵ２０によって算出される燃料の量である。また、所定の添加量とは、例えば、排気温度をＴ１度だけ上昇させるのに本来的に必要な燃料添加量であって、予め実験等によって測定されてＥＣＵ２０内のＲＯＭに格納されている値である。
【００４７】
即ち、Ｓ１００においては、排気温度を上昇させるにあたり、本来必要とされている添加量より多い量の燃料がＥＣＵ２０によって要求されているか否かが判断される。従って、前段排気浄化触媒１６ａ、ＮＯｘ触媒１６ｂ、燃料添加弁３０等から構成される排気浄化システムにおいて何らかの不具合が発生している場合には排気温度の上昇が適切に行われていないため、本来必要とされている添加量より多い燃料を添加する必要があると判断されることになる。そこで、Ｓ１００において、燃料添加弁３０によって添加されるべき燃料の量が、所定の添加量より多い場合は、排気浄化システムに何らかの不具合が発生していると考えられ、Ｓ１０１へ進む。一方で、Ｓ１００において、燃料添加弁３０によって添加されるべき燃料の量が、所定の添加量以下の場合は、排気浄化システムには不具合は発生していないと考えられるため、本制御を終了する。
【００４８】
Ｓ１０１では、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度とＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度との排気温度差がΔＴ以上であるか否かが判断される。ここで、本実施の形態の排気浄化システムにおいて、上流側排気温度センサ３１によって検出された排気温度に基づいて燃料添加弁３０による燃料の添加量を調整して排気温度を制御する場合、排気温度の制御における不具合は、（１）前段排気浄化触媒１６ａによる酸化機能の劣化と、（２）燃料添加弁３０による添加が正確に行われないことによって生じると考えられ得る。
【００４９】
（１）の不具合においては、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能が劣化したことによって、排気温度の上昇を更に促進すべくＥＣＵ２０から要求される燃料の添加量が増加したために、（２）の不具合においては、燃料添加弁３０が目詰まり等によって、実際に燃料添加弁３０から添加される燃料の量がＥＣＵ２０からの指令に対して少なくなっているために、結果的にＥＣＵ２０から要求される燃料の添加量が増加すると考えられる。
【００５０】
そこで、本実施の形態の排気浄化システムにおいて、（１）の不具合が発生した場合、燃料添加弁３０によって排気に添加された燃料が前段排気浄化触媒１６ａによって酸化されにくくなるため、該部位での排気温度の上昇が鈍化する。従って、上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度の上昇も小さくなるため、更に燃料添加弁３０に対して排気に燃料を添加すべくＥＣＵ２０より指令が出される。その結果、排気中に多量の燃料が含有されることとなり、その排気がＮＯｘ触媒１６ｂへと流入する。そして、その排気中に含有される燃料が、ＮＯｘ触媒１６ｂの有する酸化機能によって酸化されることで発熱し、ＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度が急激に上昇する。
【００５１】
そのため、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流側に位置する下流側排気温度センサ３２によって検出する排気温度とＮＯｘ触媒１６ｂの上流側に位置する上流側排気温度センサ３１によって検出する排気温度との温度差が、大きく開くこととなる。そこで、ΔＴを、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能の劣化に起因する、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度とＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度との温度差とすることで、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能の劣化を判定するものである。Ｓ１０１において、該排気温度差がΔＴ以上であると判断されるとＳ１０２へ進み、該排気温度差がΔＴより小さいと判断されるとＳ１０３へ進む。
【００５２】
Ｓ１０２においては、Ｓ１０１で先述した排気温度差がΔＴ以上であると判断されたことより、前段排気浄化触媒１６ａにおいて不具合が生じた、即ち前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能が劣化したと判定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、本制御を終了する。
【００５３】
Ｓ１０３においては、Ｓ１０１で先述した排気温度差がΔＴより小さいと判断されたことより、前段排気浄化触媒１６ａには不具合は生じておらず、排気浄化システムのもう一つの不具合である燃料添加弁３０において不具合が生じた、即ち燃料添加弁３０が目詰まり等によって正確な量の燃料を添加できない状態にあると判定する。Ｓ１０３の処理が終了すると、本制御を終了する。
【００５４】
尚、上記の実施の形態においては、ＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度を下流側排気温度センサ３２によって検出しているが、それに代えて上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度と排気空燃比センサ３３によって検出されるＮＯｘ触媒１６ｂの下流を流れる排気の空燃比から推定してもよい。該排気の空燃比より、燃料添加弁３０によって排気に添加された燃料のうちどの程度が、ＮＯｘ触媒１６ｂにおいて酸化され排気温度の上昇に起因したかを推定することが可能であるから、それによりＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度を推定するものである。このようにすることで、下流側排気温度センサ３２を設ける必要がなくなる。
【００５５】
また、上記の実施の形態において、前段排気浄化触媒１６ａとＮＯｘ触媒１６ｂの間の排気管に設けられている上流側排気温度センサ３１は、燃料添加弁３０による排気への燃料添加の基準となる排気温度と、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を測定していることになるが、前段排気浄化触媒１６ａとＮＯｘ触媒１６ｂの間に更に一台の排気温度センサを設け、それぞれの排気温度を異なる排気温度センサによって検出するようにしてもよい。
【００５６】
本制御によると、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との温度差によって、該排気浄化システムを構成するＮＯｘ触媒の上流側に位置し酸化機能を有する触媒の本来の機能が低下しているか否か、もしくは排気中に燃料を添加する燃料添加弁の本来の機能が低下しているか否かがより正確に判断され、それぞれの機能が低下している場合には該触媒もしくは該燃料添加弁の不具合と判定することが可能となる。更には、不具合と判定された該触媒もしくは該燃料添加弁については、それらの機能を再生させるような処理を行うことによって、または運転者等に該不具合を知らせることで、不具合と判定された該触媒もしくは該燃料添加弁の修理、交換等を促すことが可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る、内燃機関の排気浄化システムの不具合判定方法においては、排気中のＮＯｘを吸蔵還元するＮＯｘ触媒の上流側に、酸化機能を有する触媒を備え、排気温度に応じて排気に燃料を添加する制御を行う内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との温度差によって、該排気浄化システムを構成するＮＯｘ触媒の上流側に位置し酸化機能を有する触媒の本来の機能の劣化をより正確に判定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの不具合判定方法が実行される排気浄化システムおよび該排気浄化システムを含む内燃機関およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの不具合判定方法が実行される排気浄化システムにおいて、排気浄化システムの構成要素の不具合を判定する不具合判定制御を示すフロー図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
３・・・・燃料噴射弁
１６ａ・・・・前段排気浄化触媒
１６ｂ・・・・ＮＯｘ触媒
２０・・・・ＥＣＵ
３０・・・・燃料添加弁
３１・・・・上流側排気温度センサ
３２・・・・下流側排気温度センサ
３３・・・・排気空燃比センサ
【発明の属する技術分野】
本発明は、内燃機関の排気浄化を行う排気浄化システムにおいて、該排気浄化システムを構成する要素の不具合を検出する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
内燃機関、特に希薄燃焼を行う内燃機関から排出される排気を浄化すべく、排気に含まれる物質を酸化する機能を有する触媒、例えば吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、「ＮＯｘ触媒」という）を担持したフィルタと、該フィルタの上流側に更にＮＯｘ触媒を設けることで、排気中に含まれる微粒子状物質を捕集するとともに、排気中のＮＯｘを高い浄化率で浄化する技術が公開されている（例えば、特許文献１を参照。）。しかし、該フィルタの上流側に設けられているＮＯｘ触媒の触媒機能である排気中の物質を酸化する機能が劣化すると、排気の浄化が十分に行われない。
【０００３】
また、フィルタに担持されたＮＯｘ触媒は、排気が高酸素濃度状態である場合は排気中に含まれるＮＯｘを触媒内へと吸蔵し、触媒周囲の雰囲気が低酸素濃度状態で且つ還元成分である燃料の未燃成分が存在している場合等は、触媒内に吸蔵されているＮＯｘを還元することで排気中のＮＯｘを浄化する触媒である。そこで、排気温度に応じて還元剤として排気に添加される燃料の粒径を調整することで、触媒内に吸蔵されているＮＯｘをより効率的に還元する技術が公開されている（例えば、特許文献２を参照。）。
【０００４】
しかし、上流側のＮＯｘ触媒の触媒機能である排気中の物質を酸化する機能が劣化すると、該フィルタに流入する排気の温度が上昇せずに、結果的に多量の燃料がフィルタに流入し、該フィルタに担持されたＮＯｘ触媒によって燃料が酸化されることで、フィルタの温度が急激に上昇し、フィルタが溶損する虞がある。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−１２９９５０号公報
【特許文献２】
特開２０００−２４０４２９号公報
【特許文献３】
特開２００２−１２２０１９号公報
【特許文献４】
特開２００２−２２７６３６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の上流側に酸化機能を有する触媒、例えば更にＮＯｘ触媒を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて排気の浄化を行う場合、例えば該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの還元を行う場合には、排気中に燃料もしくは燃料が改質された炭化水素（以下、単に「燃料」という）が添加される。添加された燃料の一部が上流側の触媒で該燃料が酸化されることで、下流側のＮＯｘ触媒に流入する排気温度が上昇する。それとともに添加された燃料が該ＮＯｘ触媒に供給されることで、該ＮＯｘ触媒に流入する排気が、高温且つリッチ状態となり、該ＮＯｘ触媒に吸蔵されているＮＯｘの還元が行われる。
【０００７】
ここで、ＮＯｘの還元を効率的に行うために、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を適切な温度にすべく排気に含まれる燃料の量を制御する必要があるが、上流側の触媒の酸化機能が低下すると、排気中に含まれる燃料の量が増加しても排気温度が上昇しない。その結果、本来上流側において酸化反応によって酸化される燃料が該ＮＯｘ触媒に流入するため、過剰な燃料によって該ＮＯｘ触媒の急激な温度上昇が生じ、該ＮＯｘ触媒が熱劣化もしくは溶損する虞がある。このような該ＮＯｘ触媒の熱劣化等の問題は、吸蔵されたＮＯｘの還元時に限られるのではなく、排気温度に応じて排気へ燃料を添加する制御を行うときに起こり得るものである。従って、内燃機関の排気浄化システムにおいて、その構成要素の機能の低下を予め判断することが必要となる。
【０００８】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、排気中のＮＯｘを吸蔵還元するＮＯｘ触媒の上流側に、更に酸化機能を有する触媒を備え、排気温度に応じて排気に燃料を添加する制御を行う内燃機関の排気浄化システムにおいて、該排気浄化システムを構成する各要素の本来の機能が低下しているか否かをより正確に判断し、該要素の機能が低下している場合には該要素の不具合と判定する方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記した課題を解決するために、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との差に着目した。これは、内燃機関の排気浄化システムに何らかの不具合が生じたときに、ＮＯｘ触媒の上流側に設けられる触媒の酸化機能が低下したのであれば、排気に添加された燃料が酸化されにくくなるため、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度があまり上昇しないとともに、ＮＯｘ触媒に流入する排気に含まれる燃料の量が増加するためにＮＯｘ触媒での酸化反応で、ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度は上昇し、その結果ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との排気温度差が大きくなることによる。
【００１０】
そこで、排気通路に設けられ、排気に含まれる物質を酸化する機能を有する前段排気浄化触媒と、前記前段排気浄化触媒の下流側の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒と、前記前段排気浄化触媒と前記ＮＯｘ触媒の間の排気通路を流れる排気の温度を検出する排気温度検出手段と、少なくとも前記排気温度検出手段によって検出された排気温度に基づいて、前記前段排気浄化触媒の上流側の排気通路を流れる排気に燃料を添加する燃料添加手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差を検出又は推定し、前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気に燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき、検出又は推定された前記排気温度差が所定温度差以上である場合には前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化していると判定する。
【００１１】
前記内燃機関の排気浄化システムにおいては、燃焼室から排出された排気は、前段排気浄化触媒を経た後に前記ＮＯｘ触媒に流入する。従って、排気中に含まれるＮＯｘは、主に前記ＮＯｘ触媒に吸蔵される。ここで、前記ＮＯｘ触媒での吸蔵ＮＯｘ量が増加するに従いＮＯｘ触媒の浄化能力が低下するため、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度や空燃比を一定の条件とすることで、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元、放出し、前記ＮＯｘ触媒の浄化能力を回復させる必要がある。ここで、該ＮＯｘ触媒の浄化能力の回復のための排気の温度等の制御を、該ＮＯｘ触媒のＮＯｘ還元制御という。
【００１２】
また、前記ＮＯｘ触媒には、排気中に含まれるＳＯｘも吸蔵され、前記ＮＯｘ触媒でのＳＯｘ吸蔵量が増加するに従い、前記ＮＯｘ触媒の触媒機能が低下する。従って、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度や空燃比を一定の条件とすることで、前記ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＳＯｘを放出し、前記ＮＯｘ触媒の浄化能力を回復させる必要がある。該ＮＯｘ触媒の浄化能力の回復のための排気の温度等の制御を、該ＮＯｘ触媒のＳＯｘ被毒再生制御という。
【００１３】
ここで、前記ＮＯｘ触媒の還元制御やＳＯｘ被毒再生制御においては、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を適切な温度に昇温させるとともに、該排気中に還元剤としての燃料を含有させる必要がある。そこで、前記燃料添加手段によって、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気、即ち、前記前段排気浄化触媒と前記ＮＯｘ触媒との間を流れる排気の温度を制御すべく、排気中に燃料を添加する。
【００１４】
従って、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を上昇させる必要がある場合は、前記燃料添加手段によって排気中に燃料を添加することで、該添加された燃料の一部が前記前段排気浄化触媒で酸化された結果、排気温度が上昇する。それとともに残りの添加された燃料が前記ＮＯｘ触媒に供給され、前記ＮＯｘ触媒の触媒機能の回復制御に必要な排気の空燃比が形成される。尚、前記燃料添加手段による排気への燃料の添加は、上述のＮＯｘ触媒の触媒機能の回復を目的としたものに限られず、該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を制御するために行われるものであればよい。
【００１５】
ここで、前記所定の添加量とは、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を目標の温度に上昇させるのに添加されるために燃料の添加量として定義される。そこで、前記燃料添加手段によって排気に前記所定の添加量分の燃料が添加され、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を目標の温度に上昇させる場合において、前記前段排気浄化触媒において排気の昇温を十分に図ることができないときは、更に排気の昇温を促進するために前記燃料添加手段によって排気へ添加されるべき燃料の量が増量される。即ち、前記前段排気浄化触媒での酸化による発熱量の増加を促すために、前記所定の添加量を越える量の燃料が添加されるべきであると判断される。
【００１６】
しかし、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化することによっても、前記燃料添加手段による添加量が前記所定の添加量を越えた量となるが、前記排気浄化システムにおいては前記前段排気浄化触媒の他にも構成要素が存在するため、その他の構成要素の不具合に起因した燃料の添加量が増量することが考えられる。
【００１７】
そこで、前記排気浄化システムにおいては、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化しているか否かを、前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度と、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との排気温度差に基づいて判断する。即ち、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化することによって排気の昇温が鈍化するため、排気温度の上昇を促進すべく前記燃料添加手段による燃料の添加量が増加する。その結果、前記ＮＯｘ触媒にも多量の燃料が流入するため、前記ＮＯｘ触媒における燃料の酸化によって前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度は高くなる。
【００１８】
従って、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化する場合は、該酸化機能が劣化していない場合に比べ、前段排気浄化触媒の上流側と下流側の排気温度との差が顕著となる。そこで、該排気温度差が、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化したと判断される温度差として定義される前記所定の温度差以上となることをもって、前記前段排気浄化触媒の酸化機能と判断するのである。
【００１９】
これにより、該排気浄化システムを構成する要素である前段排気浄化触媒の本来の機能が低下しているか否かを判断し、該要素の機能が低下している場合には該要素の不具合と判定することが可能となる。
【００２０】
また、前記ＮＯｘ触媒は、該ＮＯｘ触媒が担持されたフィルタであって、排気に含まれる粒子状物質を捕集することができる排気浄化手段であってもよい。
【００２１】
ここで、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差の検出については、次のように行われる。前記排気浄化システムにおいて、前記排気温度検出手段を第一排気温度検出手段とし、そして、更に前記ＮＯｘ触媒の下流の排気通路を流れる排気の温度を検出する第二排気温度検出手段が備えられる。そこで、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差は、前記第二排気温度検出手段によって検出された排気温度と前記第一排気温度検出手段によって検出された排気温度との差より、算出される。
【００２２】
即ち、前記排気温度検出手段である前記第一排気温度検出手段は、前記燃料添加手段による燃料の添加の基準となる排気温度を検出するとともに、前記ＮＯｘ触媒の酸化機能の劣化を判断するための排気温度差における前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度を検出することになる。尚、前記燃料添加手段による燃料の添加の基準となる排気温度の検出と、前記ＮＯｘ触媒の酸化機能の劣化を判断するための排気温度差における前記ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度の検出を、異なる排気温度検出手段によって行ってもよい。
【００２３】
また、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差の検出については、更に次のように行うことも可能である。即ち、前記排気浄化システムにおいて、更に、前記ＮＯｘ触媒の下流の排気通路を流れる排気の空燃比を検出する排気空燃比検出手段が備えられる。そこで、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差は、前記排気温度検出手段によって検出される排気温度と前記排気空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比とから推定する。
【００２４】
即ち、前記ＮＯｘ触媒の下流側に設けられた排気空燃比検出手段によって検出された排気空燃比は、前記ＮＯｘ触媒を経た排気の空燃比であるから、前記ＮＯｘ触媒における酸化反応で消費された燃料の量を推定することが可能と考えられる。そこで、推定された消費燃料量から前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度が推定され、該推定された排気温度と、前記排気温度検出手段によって検出された前記ＮＯｘ触媒の上流側の排気温度より、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差を検出することが可能となる。
【００２５】
ここで、先述までの内燃機関の排気浄化システムにおいては、排気浄化システムの構成要素である前記前段排気浄化触媒の不具合が判定される。しかし、該排気浄化システムにおいて、前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が前記所定の添加量を越える場合には、前記前段排気浄化触媒の他に、前記燃料添加手段自身の不具合が考えられる。
【００２６】
そこで、前記排気浄化システムにおいて、更に、前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気に燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき、検出された前記排気温度差が所定温度差より小さい場合には前記燃料添加手段の燃料添加機能が劣化していると判定する。
【００２７】
即ち、先述したように、前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気へ燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるときとは、前記前段排気浄化触媒による排気の温度上昇が適切に行われていないことに起因する。この排気温度の上昇が適切に行われない要因としては、先述した前段排気浄化触媒の酸化機能の劣化の他に、前記燃料添加手段の燃料添加機能の劣化が考えられる。ここで、前記燃料添加手段の燃料添加機能とは、排気に対して添加すべき量の燃料をより正確に添加する機能をいい、その燃料添加機能の劣化には、例えば、前記燃料添加手段が燃料添加弁である場合には、該燃料添加弁の目詰まり等が挙げられる。
【００２８】
そこで、検出された前記排気温度差が前記所定温度差より低い場合には、前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化したとは判断せずに、前記燃料添加手段の燃料添加機能が劣化していると判断する。これにより、該排気浄化システムを構成する要素である燃料添加手段の本来の機能が低下しているか否かを判断し、該要素の機能が低下している場合には該要素の不具合と判定することが可能となる。
【００２９】
また、上記までの排気浄化システムの不具合を判定する方法については、前記排気浄化システムを含めた一のシステムとしても構成することも可能である。即ち、前記排気浄化システムは、更に、前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差を検出する検出手段と、先述した前記前段排気浄化触媒の不具合と、それに加えて前記燃料添加手段の不具合を判定する不具合判定手段と、を備えるシステムとして構成され得る。
【００３０】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明に係る内燃機関の排気浄化システムの不具合判定方法の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明が適用される排気浄化システム、該排気浄化システムを含む内燃機関１およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【００３１】
内燃機関１は、４つの気筒２を有する内燃機関である。また、気筒２の燃焼室に直接燃料を噴射する燃料噴射弁３を備えている。燃料噴射弁３は、燃料を所定圧に蓄圧する蓄圧室４と接続されている。蓄圧室４は、燃料供給管５を介して燃料ポンプ６と連通している。
【００３２】
次に、内燃機関１には吸気枝管７が接続されており、吸気枝管７の各枝管は、気筒２の燃焼室と吸気ポートを介して連通している。ここで、気筒２の燃焼室と吸気ポートとの連通は、吸気弁（図示略）の開閉によって行われる。また、吸気枝管７は吸気管８に接続されている。吸気管８には、該吸気管８内を流通する吸気の質量に対応した電気信号を出力するエアフローメータ９が取り付けられている。前記吸気管８における吸気枝管７の直上流に位置する部位には、該吸気管８内を流通する吸気の流量を調節する吸気絞り弁１０が設けられている。この吸気絞り弁１０には、ステップモータ等で構成されて該吸気絞り弁１０を開閉駆動する吸気絞り用アクチュエータ１１が取り付けられている。
【００３３】
ここで、エアフローメータ９と吸気絞り弁１０との間に位置する吸気管８には、排気のエネルギーを駆動源として作動する遠心過給機（ターボチャージャ）１７のコンプレッサハウジング１７ａが設けられ、コンプレッサハウジング１７ａより下流の吸気管８には、前記コンプレッサハウジング１７ａ内で圧縮されて高温となった吸気を冷却するためのインタークーラ１８設けられている。
【００３４】
一方、内燃機関１には排気枝管１２が接続され、排気枝管１２の各枝管が排気ポートを介して気筒２の燃焼室と連通している。ここで、気筒２の燃焼室と排気ポートとの連通は、排気弁（図示略）の開閉によって行われる。また、排気枝管１２の側面には、排気枝管１２を流れる排気に対して燃料を添加する燃料添加弁３０が設けられている。
【００３５】
また、前記排気枝管１２は、前記遠心過給機１７のタービンハウジング１７ｂと接続されている。前記タービンハウジング１７ｂは、排気管１３と接続され、この排気管１３は、下流にてマフラー（図示略）に接続されている。更に、排気管１３の途中には、内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘを吸蔵、還元して排気の浄化を行うＮＯｘ触媒１６ｂが設けられている。そしてＮＯｘ触媒１６ｂの上流には、排気中に含まれる物質を酸化する機能を有する触媒、例えばＮＯｘ触媒１６ｂと同様のＮＯｘ触媒が前段排気浄化触媒１６ａとして設けられている。尚、ＮＯｘ触媒１６ｂに代えて、ＮＯｘ触媒が担持されたフィルタであって排気中の粒子状物質を捕集する機能を有する排気浄化手段を用いてもよい。
【００３６】
更に、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流の排気管１３には、該排気管１３内を流通する排気の流量を調節する排気絞り弁１４が設けられている。この排気絞り弁１４には、ステップモータ等で構成されて該排気絞り弁１４を開閉駆動する排気絞り用アクチュエータ１５が取り付けられている。
【００３７】
ここで、燃料噴射弁３および燃料添加弁３０は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ：Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔと称する）２０からの制御信号によって開閉動作を行う。即ち、ＥＣＵ２０からの指令によって、燃料噴射弁３および燃料添加弁３０における燃料の噴射時期および噴射量が燃料噴射弁毎に制御される。
【００３８】
更に、アクセル開度センサ１９がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０はアクセル開度に応じた信号を受け取り、それより内燃機関１に要求される機関出力等を算出する。また、クランクポジションセンサ３４がＥＣＵ２０と電気的に接続されており、ＥＣＵ２０は内燃機関１の出力軸の回転角に応じた信号を受け取り、内燃機関１の機関回転速度や気筒２におけるサイクルの状態等を算出する。
【００３９】
また、前段排気浄化触媒１６ａとＮＯｘ触媒１６ｂとの間の排気管１３には、該区間を流れる排気、即ち前段排気浄化触媒１６ａから流出しＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を検出する上流側排気温度センサ３１が、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流の排気管１３にはＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度を検出する下流側排気温度センサ３２が設けられている。更に、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流の排気管１３であって下流側排気温度センサ３２の近傍には、ＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の空燃比を検出する排気空燃比センサ３３が設けられている。
【００４０】
上流側排気温度センサ３１、下流側排気温度センサ３２および排気空燃比センサ３３は、それぞれＥＣＵ２０は電気的に接続されている。これらのセンサと、前段排気浄化触媒１６ａおよび、ＮＯｘ触媒１６ｂ等で構成される排気浄化システムによって、排気の浄化が行われる。そこで、ＥＣＵ２０は、ＮＯｘ触媒１６の排気浄化能力を再生させるために、上流側排気温度センサ３１によって検出された排気温度や排気空燃比センサ３３によって検出された空燃比の値に基づいてＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度や排気の空燃比を制御する。
【００４１】
例えば、ＮＯｘ触媒１６ｂに吸蔵されたＮＯｘを還元するために、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を上昇させ、且つ該排気の空燃比をリッチ状態とするＮＯｘ還元制御、ＮＯｘ触媒１６ｂに吸蔵されたＳＯｘを離脱させるためにＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を上昇させ、且つ該排気の空燃比を交互にリッチ側の空燃比とリーン側の空燃比に切り替えるいわゆるＳＯｘ被毒再生制御や、ＮＯｘ触媒１６ｂに代えてＮＯｘ触媒が担持されたフィルタが設けられている場合には該フィルタに捕集されている粒子状物質を酸化し除去するために該フィルタに流入する排気の温度を上昇させ、且つ該排気の空燃比を適切な空燃比に制御するフィルタ再生制御等が挙げられる。
【００４２】
このとき、ＥＣＵ２０より燃料添加弁３０に対して噴射指令が出されることで、排気温度および排気の空燃比が調整される。燃料添加弁３０より排気中に噴射された燃料の一部は、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能によって酸化されることで、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度が上昇する。更に、残りの燃料が、ＮＯｘ触媒１６ｂに供給されることで、各再生制御に必要な排気の空燃比が形成される。
【００４３】
この排気温度と排気の空燃比に関する制御は、上流側排気温度センサ３１によって検出された排気温度および排気空燃比センサ３３によって検出された空燃比に基づいて、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度と空燃比を推定し、その推定される空燃比が所定の排気温度と排気の空燃比となるように、燃料添加弁３０による燃料の添加量を制御するものである。ＮＯｘ触媒１６ｂにおける排気温度と上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度との関係、およびＮＯｘ触媒１６ｂにおける排気の空燃比と排気空燃比センサ３３によって検出される空燃比との関係は、予め実験等で求めておきマップとしてＥＣＵ２０内のＲＯＭに格納しておけばよい。
【００４４】
ここで、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する流入する排気の温度を上昇させるには、ＥＣＵ２０が上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度に基づいて、燃料添加弁３０による排気への燃料の添加量を調整するのは先述の通りであるが、排気に燃料を添加しているにもかかわらず排気温度が適切な温度に上昇しない場合には、排気浄化システムの不具合として、排気浄化システムを構成し排気温度の上昇に大きく起因する前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能の劣化、もしくは燃料添加弁３０の目詰まり等による不正確な量の燃料添加が起こると考えられる。更に、このような不具合が生じている状態では、結果的にＮＯｘ触媒１６ｂに供給される排気の温度を正確に制御することが困難となり、先述したＮＯｘ還元制御等が確実に行われなくなるだけではなく、ＮＯｘ触媒１６ｂに過剰の燃料が供給されることでＮＯｘ触媒１６ｂが過度に昇温し、ＮＯｘ触媒１６ｂが熱劣化もしくは溶損する虞が生じる。
【００４５】
そこで、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を制御する場合において、前段排気浄化触媒１６ａもしくは燃料添加弁３０の不具合を判定する制御について、図２に基づいて説明する。図２はＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度制御時における排気浄化システムの不具合を判定する制御のフローチャートである。また、該不具合判定制御は、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度に基づいて制御する必要がある場合、例えば先述したＮＯｘ還元制御、ＳＯｘ被毒再生制御などが行われる場合に、ＥＣＵ２０によって実行される。
【００４６】
先ず、Ｓ１００においては、燃料添加弁３０によって添加されるべき燃料の量が、所定の添加量より多いか否かが判断される。ここで、添加されるべき燃料の量とは、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を所定の温度とするために、上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度に基づいてＥＣＵ２０によって算出される燃料の量である。また、所定の添加量とは、例えば、排気温度をＴ１度だけ上昇させるのに本来的に必要な燃料添加量であって、予め実験等によって測定されてＥＣＵ２０内のＲＯＭに格納されている値である。
【００４７】
即ち、Ｓ１００においては、排気温度を上昇させるにあたり、本来必要とされている添加量より多い量の燃料がＥＣＵ２０によって要求されているか否かが判断される。従って、前段排気浄化触媒１６ａ、ＮＯｘ触媒１６ｂ、燃料添加弁３０等から構成される排気浄化システムにおいて何らかの不具合が発生している場合には排気温度の上昇が適切に行われていないため、本来必要とされている添加量より多い燃料を添加する必要があると判断されることになる。そこで、Ｓ１００において、燃料添加弁３０によって添加されるべき燃料の量が、所定の添加量より多い場合は、排気浄化システムに何らかの不具合が発生していると考えられ、Ｓ１０１へ進む。一方で、Ｓ１００において、燃料添加弁３０によって添加されるべき燃料の量が、所定の添加量以下の場合は、排気浄化システムには不具合は発生していないと考えられるため、本制御を終了する。
【００４８】
Ｓ１０１では、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度とＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度との排気温度差がΔＴ以上であるか否かが判断される。ここで、本実施の形態の排気浄化システムにおいて、上流側排気温度センサ３１によって検出された排気温度に基づいて燃料添加弁３０による燃料の添加量を調整して排気温度を制御する場合、排気温度の制御における不具合は、（１）前段排気浄化触媒１６ａによる酸化機能の劣化と、（２）燃料添加弁３０による添加が正確に行われないことによって生じると考えられ得る。
【００４９】
（１）の不具合においては、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能が劣化したことによって、排気温度の上昇を更に促進すべくＥＣＵ２０から要求される燃料の添加量が増加したために、（２）の不具合においては、燃料添加弁３０が目詰まり等によって、実際に燃料添加弁３０から添加される燃料の量がＥＣＵ２０からの指令に対して少なくなっているために、結果的にＥＣＵ２０から要求される燃料の添加量が増加すると考えられる。
【００５０】
そこで、本実施の形態の排気浄化システムにおいて、（１）の不具合が発生した場合、燃料添加弁３０によって排気に添加された燃料が前段排気浄化触媒１６ａによって酸化されにくくなるため、該部位での排気温度の上昇が鈍化する。従って、上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度の上昇も小さくなるため、更に燃料添加弁３０に対して排気に燃料を添加すべくＥＣＵ２０より指令が出される。その結果、排気中に多量の燃料が含有されることとなり、その排気がＮＯｘ触媒１６ｂへと流入する。そして、その排気中に含有される燃料が、ＮＯｘ触媒１６ｂの有する酸化機能によって酸化されることで発熱し、ＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度が急激に上昇する。
【００５１】
そのため、ＮＯｘ触媒１６ｂの下流側に位置する下流側排気温度センサ３２によって検出する排気温度とＮＯｘ触媒１６ｂの上流側に位置する上流側排気温度センサ３１によって検出する排気温度との温度差が、大きく開くこととなる。そこで、ΔＴを、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能の劣化に起因する、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度とＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度との温度差とすることで、前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能の劣化を判定するものである。Ｓ１０１において、該排気温度差がΔＴ以上であると判断されるとＳ１０２へ進み、該排気温度差がΔＴより小さいと判断されるとＳ１０３へ進む。
【００５２】
Ｓ１０２においては、Ｓ１０１で先述した排気温度差がΔＴ以上であると判断されたことより、前段排気浄化触媒１６ａにおいて不具合が生じた、即ち前段排気浄化触媒１６ａの酸化機能が劣化したと判定する。Ｓ１０２の処理が終了すると、本制御を終了する。
【００５３】
Ｓ１０３においては、Ｓ１０１で先述した排気温度差がΔＴより小さいと判断されたことより、前段排気浄化触媒１６ａには不具合は生じておらず、排気浄化システムのもう一つの不具合である燃料添加弁３０において不具合が生じた、即ち燃料添加弁３０が目詰まり等によって正確な量の燃料を添加できない状態にあると判定する。Ｓ１０３の処理が終了すると、本制御を終了する。
【００５４】
尚、上記の実施の形態においては、ＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度を下流側排気温度センサ３２によって検出しているが、それに代えて上流側排気温度センサ３１によって検出される排気温度と排気空燃比センサ３３によって検出されるＮＯｘ触媒１６ｂの下流を流れる排気の空燃比から推定してもよい。該排気の空燃比より、燃料添加弁３０によって排気に添加された燃料のうちどの程度が、ＮＯｘ触媒１６ｂにおいて酸化され排気温度の上昇に起因したかを推定することが可能であるから、それによりＮＯｘ触媒１６ｂから流出する排気の温度を推定するものである。このようにすることで、下流側排気温度センサ３２を設ける必要がなくなる。
【００５５】
また、上記の実施の形態において、前段排気浄化触媒１６ａとＮＯｘ触媒１６ｂの間の排気管に設けられている上流側排気温度センサ３１は、燃料添加弁３０による排気への燃料添加の基準となる排気温度と、ＮＯｘ触媒１６ｂに流入する排気の温度を測定していることになるが、前段排気浄化触媒１６ａとＮＯｘ触媒１６ｂの間に更に一台の排気温度センサを設け、それぞれの排気温度を異なる排気温度センサによって検出するようにしてもよい。
【００５６】
本制御によると、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との温度差によって、該排気浄化システムを構成するＮＯｘ触媒の上流側に位置し酸化機能を有する触媒の本来の機能が低下しているか否か、もしくは排気中に燃料を添加する燃料添加弁の本来の機能が低下しているか否かがより正確に判断され、それぞれの機能が低下している場合には該触媒もしくは該燃料添加弁の不具合と判定することが可能となる。更には、不具合と判定された該触媒もしくは該燃料添加弁については、それらの機能を再生させるような処理を行うことによって、または運転者等に該不具合を知らせることで、不具合と判定された該触媒もしくは該燃料添加弁の修理、交換等を促すことが可能である。
【００５７】
【発明の効果】
本発明に係る、内燃機関の排気浄化システムの不具合判定方法においては、排気中のＮＯｘを吸蔵還元するＮＯｘ触媒の上流側に、酸化機能を有する触媒を備え、排気温度に応じて排気に燃料を添加する制御を行う内燃機関の排気浄化システムにおいて、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度とＮＯｘ触媒から流出する排気の温度との温度差によって、該排気浄化システムを構成するＮＯｘ触媒の上流側に位置し酸化機能を有する触媒の本来の機能の劣化をより正確に判定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの不具合判定方法が実行される排気浄化システムおよび該排気浄化システムを含む内燃機関およびその制御系統の概略構成を表すブロック図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る排気浄化システムの不具合判定方法が実行される排気浄化システムにおいて、排気浄化システムの構成要素の不具合を判定する不具合判定制御を示すフロー図である。
【符号の説明】
１・・・・内燃機関
３・・・・燃料噴射弁
１６ａ・・・・前段排気浄化触媒
１６ｂ・・・・ＮＯｘ触媒
２０・・・・ＥＣＵ
３０・・・・燃料添加弁
３１・・・・上流側排気温度センサ
３２・・・・下流側排気温度センサ
３３・・・・排気空燃比センサ
Claims (4)
- 排気通路に設けられ、排気に含まれる物質を酸化する機能を有する前段排気浄化触媒と、
前記前段排気浄化触媒の下流側の排気通路に設けられ、排気中のＮＯｘを吸蔵、還元するＮＯｘ触媒と、
前記前段排気浄化触媒と前記ＮＯｘ触媒の間の排気通路を流れる排気の温度を検出する排気温度検出手段と、
少なくとも前記排気温度検出手段によって検出された排気温度に基づいて、前記前段排気浄化触媒の上流側の排気通路を流れる排気に燃料を添加する燃料添加手段と、を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差を検出又は推定し、
前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気に燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき、検出又は推定された前記排気温度差が所定温度差以上である場合には前記前段排気浄化触媒の酸化機能が劣化していると判定する排気浄化システムの不具合判定方法。 - 前記排気温度検出手段を第一排気温度検出手段とし、
前記排気浄化システムは、更に前記ＮＯｘ触媒の下流の排気通路を流れる排気の温度を検出する第二排気温度検出手段を備え、
前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差は、前記第二排気温度検出手段によって検出された排気温度と前記第一排気温度検出手段によって検出された排気温度との差より算出されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システムの不具合判定方法。 - 前記排気浄化システムは、更に前記ＮＯｘ触媒の下流の排気通路を流れる排気の空燃比を検出する排気空燃比検出手段を備え、
前記ＮＯｘ触媒から流出する排気の温度と該ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度との排気温度差は、前記排気温度検出手段によって検出される排気温度と前記排気空燃比検出手段によって検出される排気の空燃比とから推定されることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化システムの不具合判定方法。 - 前記排気浄化システムにおいて、更に前記排気温度検出手段によって検出される排気の温度が所定の排気温度となるべく前記燃料添加手段によって排気に燃料の添加が行われる際に前記燃料添加手段によって添加されるべき燃料の量が所定の添加量を越えるとき、検出された前記排気温度差が所定温度差より小さい場合には前記燃料添加手段の燃料添加機能が劣化していると判定することを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の排気浄化システムの不具合判定方法。
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