JP2007170218A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】触媒の浄化能力判定の精度を向上させ、ひいては排気エミッションの適正化を実現する。
【解決手段】本エンジンシステムにおいて、エンジン１０の排気管１８にはＮＯｘ吸蔵還元型の触媒２１が設けられるとともに、その上流側には燃料添加弁２５が設けられている。ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ触媒２１に吸蔵されたＮＯｘを還元除去するべく当該触媒２１に対してＮＯｘ還元成分を供給するＮＯｘ還元制御を行う一方、そのＮＯｘ還元制御の実行時にＮＯｘの還元除去に要した還元成分の供給量又はそれに相関するパラメータに基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力を判定する。特にＥＣＵ３０は、ＮＯｘ還元制御の実行時に、ＮＯｘ触媒２１に対して供給される未燃燃料が過多となる状態であるかどうかを判定し、未燃燃料過多の状態であると判定された場合に、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を禁止する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関するものである。

車両用ディーゼルエンジンなどの内燃機関では、リーン燃焼が行われることによりＮＯｘ（窒素酸化物）が排出されるため、排気中のＮＯｘを浄化するための技術として、排気系にＮＯｘ吸蔵還元型の触媒（以下、ＮＯｘ触媒という）を設けることが検討されている。ＮＯｘ触媒は、排気の雰囲気が空燃比リーンの時に排気中のＮＯｘを吸蔵し、空燃比リッチになった時に排気中のＨＣやＣＯといった還元成分により吸蔵ＮＯｘを還元除去する特性を有している。

ここで、ＮＯｘ触媒では、吸蔵ＮＯｘ量が飽和して吸蔵限界になるとＮＯｘ浄化能力が低下する。そのため、ＮＯｘ浄化能力の低下を抑制するべく、ＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘを還元除去するためのＮＯｘ還元制御が実施される。具体的には、内燃機関において一時的にリッチ燃焼が行われ、その際排出される排気中のＨＣ、ＣＯといった還元成分により吸蔵ＮＯｘの還元除去が行われる。この技術は一般にリッチパージ、或いはリッチスパイクと称されている。

また、内燃機関を長期にわたって使用していると、燃料中の硫黄成分がＮＯｘ触媒に吸着する、いわゆる硫黄被毒が生じ、その硫黄被毒等に起因してＮＯｘ触媒の浄化能力が著しく低下する。そこで、リッチパージの実行に合わせてＮＯｘ触媒の浄化能力低下を判定する技術が提案されている。例えば、ＮＯｘ触媒の下流側に酸素濃度センサを設け、リッチパージの実行時における酸素濃度センサの検出結果に基づいてＮＯｘ触媒の浄化能力を判定する技術が知られている（例えば特許文献１参照）。つまり、リッチパージの実行時において、ＮＯｘ触媒で吸蔵ＮＯｘの還元が完了すると、触媒下流側の空燃比がリッチに切り替わるため、それを酸素濃度センサにより検出することでＮＯｘ還元の完了を判定する。この場合、ＮＯｘ浄化能力が低下すると、すなわちＮＯｘ触媒が吸蔵可能なＮＯｘ量が減少すると、酸素濃度センサによる空燃比切り替わりタイミングが早くなるため、空燃比切り替わりまでの所要時間に基づいてＮＯｘ触媒の浄化能力低下（触媒劣化）が判定できる。

一方、ＮＯｘ触媒の吸蔵ＮＯｘを還元除去するための技術として、上記のリッチパージ以外に、排気管に設けた燃料添加弁を用いてＮＯｘ触媒に還元剤としての未燃燃料（ＨＣ）を供給する技術が知られている。かかる技術は、内燃機関への燃料噴射量を増量することが不適である場合などに有益な技術であると考えられる。しかしながら、燃料添加弁により排気管に直接燃料を添加供給する場合、ＮＯｘ触媒においては還元剤としてＨＣのみが過剰に濃い状態となる。この場合、ＨＣのみ過多となる状態では、ＮＯｘ還元制御に合わせて実施されるＮＯｘ触媒の浄化能力判定の結果が誤ったものとなるおそれがあった。
特開２０００−３４９４６号公報

本発明は、触媒の浄化能力判定の精度を向上させ、ひいては排気エミッションの適正化を実現することができる内燃機関の排気浄化装置を提供することを主たる目的とするものである。

内燃機関の排気系にＮＯｘ吸蔵還元型の触媒を設けた排気浄化装置では、触媒に吸蔵された吸蔵ＮＯｘを還元除去するためにＮＯｘ還元制御が実施される。また、触媒は硫黄被毒等によりＮＯｘ吸蔵能力が低下し、それに伴い排気浄化能力が低下する。このとき、触媒におけるＮＯｘ吸蔵量が少なくなると、その分ＮＯｘ還元に要する還元成分が少なくなり、その還元成分の供給量又はそれに相関するパラメータをモニタすることにより触媒の浄化能力低下が生じたことが判定できる。

かかる場合、ＮＯｘ還元制御の実行時には、排気中に含まれる未燃燃料（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を還元剤としてＮＯｘ還元が行われるが、その際未燃燃料が過多であると、ＮＯｘ吸蔵量とＮＯｘ還元成分の供給量との相関関係が崩れ、それに起因して浄化能力が誤判定されるおそれが生じる。ＮＯｘ吸蔵量とＮＯｘ還元成分の供給量との相関関係が崩れる理由として、未燃燃料は一酸化炭素に比べて還元反応の速度が遅いことなどが挙げられる。この点本発明では、ＮＯｘ還元制御の実行時において未燃燃料が過多となる状態であるかどうかを判定し、未燃燃料過多の状態であると判定された場合に、触媒の浄化能力判定を禁止するようにした。これにより、触媒の浄化能力が誤判定されるといった不都合が回避できる。その結果、触媒の浄化能力判定の精度が向上し、ひいては排気エミッションの適正化を実現することができる。

請求項２に記載の発明では、ＮＯｘ還元制御を行う手段としてリッチパージ手段と燃料添加手段とを備えており、それらを選択的に用いて触媒に対する還元成分の供給を行う。そして、ＮＯｘ還元制御として燃料添加手段による燃料添加が実行される場合に、未燃燃料が過多であると判定する。この場合、燃料添加手段によって燃料添加が行われると未燃燃料過多の状態となるため、上記のとおり触媒の浄化能力が誤判定されるおそれが生じるが、本発明によれば上記の誤判定が回避できる。なお、リッチパージ手段と燃料添加手段とを選択的に用いるとは、必ずしも択一的に用いることだけに限定されず、同時に併用されることも含むものである。

また、請求項３に記載の発明では、ＮＯｘ還元制御に際し、リッチパージ手段による空燃比のリッチ制御と、燃料添加手段による未燃燃料の添加供給とを内燃機関の運転領域に応じて切り替えて実施する。つまり、内燃機関の運転領域によっては、リッチパージ手段による空燃比のリッチ化が不適である場合があり、かかる場合にはＮＯｘ還元制御として、燃料添加手段による燃料添加を行うことが望ましい。例えば、車両の高負荷又は高回転領域では、空燃比のリッチ化によりスモーク量が増加するおそれがあるため、リッチパージ手段による空燃比のリッチ化が不適であると考えられる。故に、内燃機関の運転領域に応じてＮＯｘ還元制御の手法を切り替えるのが望ましい。そして、こうしてＮＯｘ還元制御の手法を適宜切り替え、かつ上記のとおり未燃燃料過多の場合に触媒の浄化能力判定を禁止したことによって、ＮＯｘ還元制御時におけるエミッションの悪化を抑制しつつ、高精度な触媒の浄化能力判定を実施することができる。

燃料添加手段の構成として具体的には、請求項４に記載したように、内燃機関の排気系において触媒の上流側に設置した燃料添加弁を作動させることにより触媒に未燃燃料を添加供給すると良い。

又は、請求項５に記載したように、内燃機関の気筒内への多段噴射を可能とする燃料噴射弁を用い、該燃料噴射弁によるメイン噴射後に後噴射を実施することで前記触媒に未燃燃料を添加供給すると良い。ここで、「後噴射」は、メイン噴射後に実施されるアフタ噴射又はポスト噴射と称される燃料噴射であり、その後噴射による噴射燃料は気筒内で燃焼に供されることなく、未燃燃料として排気系に排出される。

上記のような燃料添加弁の作動による燃料添加時、又は後噴射の実行時には、前記触媒に対して供給される未燃燃料過多の状態となり、誤判定防止のために触媒の浄化能力判定が禁止される。

請求項６に記載の発明では、触媒に供給される未燃燃料量又はガス中の未燃燃料濃度を検出又は演算により求め、該求めた未燃燃料量又は未燃燃料濃度が、あらかじめ定めた基準値を超える場合に、未燃燃料が過多であると判定する。本構成においてもやはり、未燃燃料過多の状態であると判定された場合に、触媒の浄化能力判定が禁止されるため、触媒の浄化能力が誤判定されるといった不都合が回避できる。

請求項７に記載の発明では、触媒に供給されるガス中の未燃燃料の成分比（ＨＣ成分比）を算出し、該算出した未燃燃料の成分比が、あらかじめ定めた基準値を超える場合に、未燃燃料が過多であると判定する。本構成においてもやはり、未燃燃料過多の状態であると判定された場合に、触媒の浄化能力判定が禁止されるため、触媒の浄化能力が誤判定されるといった不都合が回避できる。

ここで、請求項８に記載したように、ＮＯｘ還元制御を行う手段としてリッチパージ手段と燃料添加手段とを備えた構成において、燃料添加手段による未燃燃料の添加供給量をパラメータとして、前記未燃燃料の量又は濃度を算出すると良い。なお、請求項７の場合には、未燃燃料の量又は濃度の算出値を基に、未燃燃料の成分比が算出される。未燃燃料の量又は濃度の算出時には、適合等により規定したマップデータ等を用いると良い。この場合、未燃燃料の添加供給量だけでなく、排気温度や排気流量などをパラメータに加えると良く、これにより、未燃燃料の量又は濃度の算出精度を高めることができる。

請求項９に記載の発明では、排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを少なくとも前記触媒の下流側に設け、ＮＯｘ還元制御の開始後において触媒下流側に還元成分が流出し始めたことを酸素濃度センサによって検出した時にＮＯｘ還元が完了したとするとともに、そのＮＯｘ還元の完了までに要した所要時間に基づいて前記触媒の浄化能力を判定する。この場合、ＮＯｘ還元の完了までに要した所要時間によって、ＮＯｘ還元除去に要した還元成分の供給量が推定できるため、触媒の浄化能力低下を好適に判定することができる。

酸素濃度センサの検出結果に基づいて触媒の浄化能力判定を実施する場合、未燃燃料過多の状態ではセンサ検出結果にも誤差が生じることが懸念されるが、上記のとおり未燃燃料過多の場合に浄化能力判定が禁止されるため、やはり浄化能力判定の精度を高めることができる。

触媒下流側の酸素濃度センサに加えて触媒上流側にも酸素濃度センサを設け、触媒の上流側及び下流側の酸素濃度センサの検出結果に基づいて前記触媒の浄化能力を判定することも可能である。この場合、触媒上流側の酸素濃度センサの検出結果によれば、ＮＯｘ還元制御の開始後、触媒に対して実際に還元成分が供給され始めたタイミング（還元開始タイミング）が検知できる。これにより、当該触媒における還元開始のタイミングと還元終了のタイミングとを知り得ることができ、その各タイミング間の所要時間に基づいて触媒の浄化能力判定を実施することができる。本構成においては、ＮＯｘ還元成分の供給量をより正確に求めることができるため、触媒の浄化能力判定の精度を向上させることができる。

以下、本発明を具体化した一実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態は、動力源としてディーゼルエンジン（内燃機関）を搭載した車両に適用されるものであり、そのエンジンシステムについて詳細に説明する。

図１において、エンジン１０には気筒ごとに電磁駆動式のインジェクタ１１が設けられており、所定の燃焼順序に従いインジェクタ１１による燃料噴射が行われる。本エンジンシステムでは燃料供給系にコモンレール式燃料供給システムを採用しており、燃料タンク１３から汲み上げられた燃料は高圧ポンプ１４によって圧縮されコモンレール１５に対して圧送される。そして、高圧ポンプ１４からの燃料の圧送によりコモンレール１５内の燃料が高圧状態で保持され、そのコモンレール１５内の高圧燃料がインジェクタ１１に供給されるとともに当該インジェクタ１１の開弁動作に伴いエンジンの各気筒に噴射供給される。また、エンジン１０には吸気管１７と排気管１８とが接続されており、吸気管１７を通じて空気が気筒内に導入されるとともに、燃料の燃焼後の排気が排気管１８を通じて排出される。

排気管１８には、排気浄化を行うための後処理システムとして、排気中のＰＭを捕集するためのＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）２０と、排気中のＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ吸蔵還元型の触媒２１（以下、ＮＯｘ触媒２１という）とが設けられている。本実施の形態では、ＤＰＦ２０が排気管１８の上流側に、ＮＯｘ触媒２１が排気管１８の下流側に設けられている。ただし、その設置の順序は逆であっても良い。また、ＤＰＦ２０とＮＯｘ触媒２１とが一体化された浄化装置を排気管１８に設置することも可能である。後処理システムとして、ＮＯｘ触媒２１の下流側に酸化触媒等を付加することも可能である。

ＮＯｘ触媒２１は、周知のとおり、リーン燃焼時において排気中に含まれるＮＯｘを吸蔵するとともに、リッチ燃焼時において排気中に含まれるＨＣ、ＣＯといった還元成分を用いて、吸蔵したＮＯｘを還元除去するものである。

ＮＯｘ触媒２１の上流側及び下流側には、それぞれＡ／Ｆセンサ２３，２４が設けられている。Ａ／Ｆセンサ２３，２４は、排気中の酸素濃度に応じた酸素濃度検出信号を出力する酸素濃度センサであり、その酸素濃度検出信号に基づいて空燃比の算出が逐次行われる。なお、Ａ／Ｆセンサ２３，２４に代えて、排気がリッチかリーンかに応じて異なる起電力信号を出力する起電力出力型のＯ2センサを設置することも可能である。

また、排気管１８においてＤＰＦ２０とＮＯｘ触媒２１との間には、燃料をＮＯｘ触媒２１の上流部に添加供給するための電磁駆動式の燃料添加弁２５が設けられている。燃料添加弁２５には、高圧ポンプ１４によって燃料タンク１３から汲み上げられた低圧燃料の一部が供給され、開弁動作に伴い燃料添加弁２５から排気管１８内に燃料が添加供給される。燃料添加弁２５の設置位置はＤＰＦ２０の上流側であっても良い。その他、排気管１８においてＤＰＦ２０の上流側（又は下流側でも可）には、排気温度を検出するための排気温度センサ２７が設けられている。

ＥＣＵ３０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ等からなる周知のマイクロコンピュータを備えた電子制御ユニットであり、ＥＣＵ３０には、上記したＡ／Ｆセンサ２３，２４、排気温度センサ２７の検出信号や、その他エンジンの回転速度を検出するための回転速度センサ３１、ドライバによるアクセル操作量を検出するためのアクセルセンサ３２などの各種センサから検出信号が逐次入力される。そして、ＥＣＵ３０は、ＲＯＭに記憶された各種の制御プログラムを実行することで、エンジン運転状態に応じてインジェクタ１１の燃料噴射制御などを適宜実施する。すなわち、ＥＣＵ３０は、エンジン回転速度やアクセル操作量等のエンジン運転情報に基づいて最適な燃料噴射量及び噴射時期を決定し、それに応じた噴射制御信号によりインジェクタ１１の駆動を制御する。

なお、上記のようにコモンレール式燃料供給システムを有する場合、燃料圧フィードバック制御が実施され、コモンレール１５内の燃料圧が目標値に一致するように高圧ポンプ１４の燃料吐出量が制御されるが、かかる制御は本発明の要旨に関わるものでないため、その説明は省略する。

また、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ触媒２１の吸蔵ＮＯｘを還元除去し、その還元除去によりＮＯｘ吸蔵能力を再生するＮＯｘ還元制御を、所定条件が成立する都度実行する。本実施の形態では、ＮＯｘ還元制御として、次の（１），（２）のいずれかを実行する。

（１）空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチパージ制御を実施する。これにより、ＮＯｘ触媒２１に対してＨＣ、ＣＯといった還元成分が供給され、同触媒２１に吸蔵されたＮＯｘが還元成分により還元除去される。このとき、吸蔵ＮＯｘが窒素（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元されて除去され、そのＮＯｘ除去に伴いＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ浄化能力の再生が行われる。

（２）燃料添加弁２５による排気中への燃料添加を実施する。これにより、ＮＯｘ触媒２１に対して還元剤としてのＨＣが供給され、同触媒２１に吸蔵されたＮＯｘが還元成分により還元除去される。このとき、前記のリッチパージ制御と同様に、吸蔵ＮＯｘが窒素（Ｎ2）、二酸化炭素（ＣＯ2）及び水（Ｈ2Ｏ）に還元されて除去され、そのＮＯｘ除去に伴いＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ浄化能力の再生が行われる。

上記（１）のリッチパージ制御と、上記（２）の排気燃料添加とは、エンジン１０の運転領域に応じて選択的に実施される。この場合、基本的にはリッチパージによるＮＯｘ還元制御が行われるが、例えば高速走行時など、エンジン１０の高負荷又は高回転運転時にリッチパージを実行すると、エンジン１０のスモーク排出量が増えるといった不都合が生じる。そのため、高負荷又は高回転運転時においては、排気燃料添加によるＮＯｘ還元制御が行われる。

また、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ還元制御の実行時に、硫黄被毒や触媒劣化に伴うＮＯｘ触媒２１の浄化能力低下を判定することとしている。この浄化能力低下判定は、ＮＯｘ触媒２１の上流側及び下流側に設けられたＡ／Ｆセンサ２３，２４の検出信号に基づいて実施され、浄化能力低下の判定結果に応じて、硫黄被毒再生制御が必要であるか否かの判定や、触媒劣化度合の判定が実施される。ちなみに、ＮＯｘ触媒２１は、硫黄酸化物（ＳＯｘ）が吸着することでＮＯｘ吸蔵能力が低下する。

ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定処理としては、還元成分の供給量と実際の吸蔵ＮＯｘ量とに相関があることを利用し、Ａ／Ｆセンサ２３，２４の検出信号に基づいて還元成分の供給量を推測するとともに、その推測データに基づいて浄化能力の低下（すなわち、ＮＯｘ触媒２１の硫黄被毒の度合や劣化度合）を判定する。具体的には、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ還元制御の実行に際し、上流側のＡ／Ｆセンサ２３の検出信号によりＮＯｘ触媒２１に対して実際に還元成分（リッチ成分）が供給され始めるタイミングを検知するとともに、下流側のＡ／Ｆセンサ２４の検出信号によりＮＯｘ触媒２１において吸蔵ＮＯｘの還元除去が完了したタイミングを検知し、それら各タイミング間の所要時間に基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力低下を判定する。

また、硫黄被毒再生制御として具体的には、ＥＣＵ３０は、前記ＮＯｘ還元制御と同様にリッチパージを実行する。ただしこのとき、ＮＯｘ還元制御との違いとして、リッチパージを長時間にわたって継続し、高温かつリッチ雰囲気の状態を持続させる。これにより、ＮＯｘ触媒２１に吸着されたＳＯｘが放出され、同触媒２１の浄化能力の再生が図られる。又は、燃料添加弁２５による燃料添加を断続的に行い、それによりＳＯｘの放出を行うようにすることも可能である。

ところで、上記のようにＮＯｘ還元制御の実行に合わせてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定処理を実行する際、ＮＯｘ還元制御として排気燃料添加が行われていると、浄化能力判定の精度が低下すると考えられる。つまり、上記のとおりリッチパージ制御と排気燃料添加とは、いずれもＮＯｘ触媒２１に対して還元成分を供給するものであるが、詳細には、リッチパージ制御時には主に排気中に含まれるＣＯの還元反応により吸蔵ＮＯｘの放出が行われるのに対し、排気燃料添加時には主に還元剤として直接供給されるＨＣの還元反応により吸蔵ＮＯｘの放出が行われる。この場合、排気燃料添加時には、リッチパージ制御時に比べてＨＣ過多の状態となり、それに起因して還元成分の供給量と実際の吸蔵ＮＯｘ量との相関が崩れる。そのため、浄化能力判定の精度が低下する。

また、ＣＯによる還元反応と、ＨＣによる還元反応とを比較すると、前者の方が反応速度が速い。そのため、ＮＯｘ還元除去のために多量にＨＣを供給しても、その多くはＮＯｘ触媒２１で反応しないまま通過してしまう。したがって、ＮＯｘ還元の完了前であっても、ＮＯｘ触媒２１の下流側においてＨＣによるリッチ検出がなされてしまい、実際の吸蔵ＮＯｘの還元に要する還元成分の供給量を正確に求めることができないといった問題も生じる。

そこで本実施の形態では、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定に際し、ＮＯｘ還元制御として排気燃料添加が実施されていれば、浄化能力判定を実施しないこととする。これにより、誤判定防止を図ることとする。

ここで、ＮＯｘ還元制御としてのリッチパージ制御と、そのリッチパージ制御に合わせて実施されるＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定との概要を図２のタイムチャートに基づいてより具体的に説明する。図２において、（ａ）はリッチパージの実施時期を、（ｂ）はＮＯｘ触媒上流側のＡ／Ｆセンサ２３の検出結果（上流側Ａ／Ｆ）を、（ｃ）はＮＯｘ触媒下流側のＡ／Ｆセンサ２４の検出結果（下流側Ａ／Ｆ）を、それぞれ示している。

さて図２において、タイミングｔ１では所定の実行条件の成立に伴いリッチパージが開始され、インジェクタ１１の噴射燃料が増量される。それにより、上流側Ａ／Ｆがリーンからリッチ側に移行し、タイミングｔ２でリッチとなる。このとき、リッチパージ開始のタイミングｔ１と、上流側Ａ／Ｆが実際にリッチになるタイミングｔ２との時間差は、排気管等における輸送遅れやＡ／Ｆセンサ２３の応答遅れに起因するものである。

タイミングｔ２以降、ＮＯｘ触媒２１において排気中の還元成分が吸蔵ＮＯｘと反応し、ＮＯｘの還元除去が開始される。ＮＯｘ触媒２１では、還元成分が概ねすべて還元反応により消費されるため、下流側Ａ／Ｆはほぼストイキ（理論空燃比）となる。

そして、ＮＯｘ触媒２１における吸蔵ＮＯｘの還元が完了すると、還元成分がＮＯｘ触媒２１で反応せずにそのままＮＯｘ触媒下流側に流出し始める。したがって、ＮＯｘ還元が完了するタイミングｔ３では、下流側Ａ／Ｆがリッチ側に移行し始め、タイミングｔ４では、下流側Ａ／Ｆが所定のリッチ側しきい値ＴＨに達することによりＮＯｘ還元の完了が判定される。タイミングｔ４がリッチパージの終了タイミングであり、ｔ４以降、燃料噴射量制御が元の通常制御に復帰する。

上記のリッチパージに際し、ＮＯｘ触媒２１に対する還元成分の供給量は、上流側Ａ／Ｆがリッチとなったタイミングから下流側Ａ／Ｆがリッチとなったタイミングまでの時間差（還元所要時間ＴＡ）により推定できる。すなわち、この還元所要時間ＴＡがＮＯｘ還元成分の供給量に相関するパラメータに相当し、同還元所要時間ＴＡによってＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ吸蔵能力を推測することができる。このとき、ＮＯｘ触媒２１では、硫黄被毒や触媒劣化が進行すると、排気管１８を通じてＮＯｘ触媒２１に導入される導入ＮＯｘ量が一定であっても吸蔵ＮＯｘ量が減少し、その分還元所要時間ＴＡが短縮される。したがって、還元所要時間ＴＡに基づいて、硫黄被毒や触媒劣化に伴うＮＯｘ触媒２１の浄化能力低下を判定することができる。

次に、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ還元制御と、それに合わせて実行される浄化能力判定についてＥＣＵ３０による処理手順を詳細に説明する。図３は、ＮＯｘ還元制御の処理手順を示すフローチャートであり、本処理はＥＣＵ３０により所定の時間周期で実行される。

図３において、まずステップＳ１０１では、排気管１８を通じてＮＯｘ触媒２１に導入される導入ＮＯｘ量を推定する。このとき、導入ＮＯｘ量は、都度のエンジン運転状態（運転モード）に基づいて推定することが可能であり、例えば、エンジン回転速度や負荷（アクセル操作量など）に基づいて燃焼温度を算出するとともに、その燃焼温度に基づいてＮＯｘ発生濃度を算出する。そして、そのＮＯｘ発生濃度と排気流量とからＮＯｘ量を求め、ＮＯｘ量の積算により導入ＮＯｘ量を推定する。また、排気管に設けたＮＯｘセンサにより排気中のＮＯｘ濃度を検出するとともに、該検出結果に基づいて導入ＮＯｘ量を算出したりすることも可能である。

次に、ステップＳ１０２では、前記推定した導入ＮＯｘ量が所定のしきい値ＫＡ以上であるか否かを判定する。導入ＮＯｘ量＜ＫＡであれば、今回はＮＯｘ触媒２１に対しての還元成分の供給は不要であるとして本処理をそのまま終了する。

また、導入ＮＯｘ量≧ＫＡであれば、ステップＳ１０３に進み、排気温度センサ２７の検出信号から算出した排気温度を読み込むとともに、その排気温度が所定の温度範囲内（ｍｉｎ〜ｍａｘ内）であるか否かを判定する。この場合、前記温度範囲は、ＮＯｘ触媒２１でのＮＯｘ還元が適正に行われるための排気温度条件であり、該温度範囲を規定する下限値ｍｉｎはＮＯｘ触媒２１での還元反応に必要な最小温度である。例えば、下限値ｍｉｎ＝３００℃である。また、上限値ｍａｘは、還元成分の供給とは無関係にＮＯｘ触媒２１から吸蔵ＮＯｘが放出される温度であり、例えば上限値ｍａｘ＝４５０℃である。

排気温度が所定の温度範囲内にない場合にはそのまま本処理を終了する。また、排気温度が所定の温度範囲内にある場合には後続のステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、ＮＯｘ触媒２１のＮＯｘ還元を実施するに際し、還元成分の供給方法を決定する。このとき、リッチパージによる還元成分の供給方法と、排気燃料添加による還元成分の供給方法とのうち、いずれを用いるかをエンジン運転領域に応じて決定することとしており、例えば図５の関係に基づいて供給方法を決定する。図５では、エンジン回転速度と負荷（例えばアクセル操作量）とをパラメータとして、リッチパージの実行領域（図のＲ１）と排気燃料添加の実行領域（図のＲ２）とを定めており、リッチパージの実行領域Ｒ１に比して排気燃料添加の実行領域Ｒ２は高回転・高負荷側に設定されている。

また、ステップＳ１０５では、前記ステップＳ１０４で決定した方法によりＮＯｘ触媒２１に対して還元成分の供給を実行する。その還元成分の供給に伴い吸蔵ＮＯｘの還元除去が行われる。このとき、リッチパージ制御により還元成分が供給される場合には、前記図２で説明したように、リッチパージ開始後、上流側Ａ／ＦによりＮＯｘ還元除去の開始タイミングが検知されるとともに、下流側Ａ／ＦによりＮＯｘ還元除去の終了タイミングが検知される。そして、還元開始と還元終了の各タイミングから還元所要時間ＴＡが算出される。ＮＯｘ還元終了に伴いリッチパージが終了される。排気燃料添加により還元成分が供給される場合にもリッチパージ時と同様に、下流側Ａ／ＦによりＮＯｘ還元除去の終了が検知され、そのＮＯｘ還元終了に伴い排気燃料添加が終了される。

その後、ステップＳ１０６では、還元所要時間ＴＡに基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を実行する。その浄化能力判定の処理手順を図４のフローチャートに基づいて説明する。

図４において、ステップＳ２０１では、浄化能力判定の実行条件が成立しているか否かを判定する。この実行条件は、硫黄被毒や触媒劣化に伴うＮＯｘ触媒２１の浄化能力低下が生じていると想定される条件であり、例えば、車両の走行距離を計測し、その走行距離が所定走行距離（例えば１０，０００ｋｍ）になる度に実行条件が成立するとしたり、インジェクタ１１による燃料噴射量の総量（毎回の燃料噴射量の積算値）を算出し、その燃料噴射量の総量が所定量になる度に実行条件が成立するとしたりすると良い。そして、前記実行条件が成立すれば後続のステップＳ２０２に進む。

ステップＳ２０２では、今回実施されているＮＯｘ還元制御において、還元成分の供給が排気燃料添加によるものか否かを判定する。そして、排気燃料添加によるものでなく、リッチパージによるものであれば、今回の浄化能力判定の実施を許可するとして後続のステップＳ２０３に進む。また、排気燃料添加によるものであれば、今回の浄化能力判定の実施を禁止するとして本処理をそのまま終了する。

ステップＳ２０３では、ＮＯｘ還元制御の実施に伴い算出した還元所要時間ＴＡに基づいて、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力が低下しているか否かを判定する。例えば、還元所要時間ＴＡとあらかじめ定めた判定時間とを比較し、ＴＡ≧判定時間であれば、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力が低下していないと判定する。また、ＴＡ＜判定時間であれば、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力が低下していると判定する。浄化能力が低下している場合にはステップＳ２０４に進み、浄化能力回復を図るべく硫黄被毒再生制御を実施する。

なお、前記判定時間よりも短い第２の判定時間を定めておき、還元所要時間ＴＡ＜第２の判定時間であれば、フェイル判定を実施するようにしても良い。また、ステップＳ２０３がＹＥＳである場合において、硫黄被毒再生制御が既に所定回数実施された後であれば、次に硫黄被毒再生制御を実施することなく、その時点でフェイル判定を実施するようにしても良い。

以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

ＮＯｘ還元制御の実行時においてＮＯｘ触媒２１に対してＨＣ過多となる状態であるかどうかを判定し、ＨＣ過多の状態である場合にＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を禁止するようにした。特に本実施の形態では、排気燃料添加が実施される場合にＨＣ過多の状態であるとした。これにより、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力が誤判定されるといった不都合が回避できる。その結果、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定の精度が向上し、ひいては排気エミッションの適正化を実現することができる。

ＮＯｘ還元制御に際し、インジェクタ１１によるリッチパージと燃料添加弁２５による排気燃料添加とをエンジン運転領域に応じて切り替えて実施するようにしたため、ＮＯｘ還元制御時における排気エミッションの悪化（リッチパージによるスモーク量増加など）を抑制しつつ、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を精度良く実施することができる。

ＮＯｘ触媒２１に対して所定量のＮＯｘを導入させた状態でＮＯｘ触媒２１の上流側及び下流側のＡ／Ｆセンサ２３，２４の検出結果に基づいてＮＯｘ還元の開始及び終了の各タイミングを検知し、その各タイミング間の所要時間（還元所要時間ＴＡ）を算出した。この場合、還元所要時間ＴＡはＮＯｘ還元成分の供給量と相関があることから、還元所要時間ＴＡに基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力低下を好適に判定することができる。

Ａ／Ｆセンサ２３，２４の検出結果に基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を実施する場合、ＨＣ過多の状態ではセンサ検出結果にも誤差が生じることが懸念されるが、上記のとおりＨＣ過多の場合に浄化能力判定が禁止されるため、やはり浄化能力判定の精度を高めることができる。

排気温度が所定の温度範囲内（ｍｉｎ〜ｍａｘ内）に入っていることをＮＯｘ還元制御の実行条件としたため、ＮＯｘ還元成分の供給時において該還元成分による適正なＮＯｘ還元除去が実現できる。またこの条件設定により、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定の精度が向上する。

なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施しても良い。

上記実施の形態では、ＮＯｘ還元制御の実行時において排気燃料添加が実施される場合に、ＨＣ過多の状態であるとしてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を禁止したが、これを以下のように変更する。排気中のＨＣ濃度（又はＨＣ量）を検出し、その検出値が基準値を超えた場合に、ＨＣ過多の状態であるとしてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を禁止する。又は、排気中のＨＣ成分比を算出し、そのＨＣ成分比が基準値を超えた場合に、ＨＣ過多の状態であるとしてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を禁止する。図６，図７はその具体的な処理例を示すフローチャートである。図６，図７は、既述の図４に置き換えて実行されるものであり、重複する処理については同じステップ番号を付すとともにその説明を省略する。

下記の各処理では、排気中のＨＣ濃度やＣＯ濃度の検出を要件としており、下記のようにしてＨＣ濃度やＣＯ濃度の検出が行われる。すなわち、エンジン１０の排気管１８において、ＮＯｘ触媒２１の上流側にＨＣ濃度センサを設置し、該ＨＣ濃度センサの検出結果に基づいてＨＣ濃度検出値を算出する。また、エンジン１０の排気管１８において、ＮＯｘ触媒２１の上流側にＣＯ濃度センサを設置し、該ＣＯ濃度センサの検出結果に基づいてＣＯ濃度検出値を算出する。

図６では、浄化能力判定の実行条件が成立している場合（ステップＳ２０１がＹＥＳの場合）において、ステップＳ３０１で排気中のＨＣ濃度検出を行うとともに、続くステップＳ３０２でＨＣ濃度の検出値が所定の判定値よりも大きいか否かを判定する。そして、ＨＣ濃度≦判定値であれば、今回の浄化能力判定の実施を許可するとして後続のステップＳ２０３に進む。また、ＨＣ濃度＞判定値であれば、ＨＣ過多の状態であるとみなし、今回の浄化能力判定の実施を禁止するとして本処理をそのまま終了する。

他方、図７では、浄化能力判定の実行条件が成立している場合（ステップＳ２０１がＹＥＳの場合）において、ステップＳ４０１で排気中のＨＣ濃度検出とＣＯ濃度検出とを行うとともに、続くステップＳ４０２でＨＣ濃度とＣＯ濃度との濃度比（濃度比＝ＨＣ濃度／ＣＯ濃度、ＨＣ成分比に相当）を算出する。また、ステップＳ４０３で、上記算出した濃度比が所定の判定値よりも大きいか否かを判定する。そして、濃度比≦判定値であれば、今回の浄化能力判定の実施を許可するとして後続のステップＳ２０３に進む。また、濃度比＞判定値であれば、ＨＣ過多の状態であるとみなし、今回の浄化能力判定の実施を禁止するとして本処理をそのまま終了する。

上記図６，図７の各処理を採用する場合にもやはり、ＨＣ過多の状態であると判定された場合に、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定が禁止されるため、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力が誤判定されるといった不都合が回避できる。

上記図６，図７の処理において、排気中のＨＣ濃度やＣＯ濃度の値を、マップや数式等を用いた演算処理により取得することも可能である。具体的には、燃料添加弁２５による排気中への燃料添加量をパラメータとし、適合等によりあらかじめ規定したマップデータ等を用いて排気中のＨＣ濃度やＣＯ濃度の値を算出する。この場合、燃料添加弁２５による燃料添加量だけでなく、排気温度や排気流量等をパラメータに加えると良く、これにより、ＨＣ濃度やＣＯ濃度の算出精度を高めることができる。

上記実施の形態では、ＮＯｘ触媒２１に対するＮＯｘ還元制御としてリッチパージと排気燃料添加とのいずれかを選択的に実施したが、これらを同時に併用することも可能である。例えば、リッチパージの実行時において、燃料添加弁２５による排気燃料添加を実施する。かかる場合、リッチパージの実行時において排気燃料添加が同時に行われていれば、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を禁止する。

また、ＮＯｘ触媒２１の上流側に未燃燃料（ＨＣ）を添加供給する燃料添加手段として、燃料添加弁２５による排気燃料添加に代えて、次の手段を用いても良い。つまり、インジェクタ１１による多段噴射の一つである後噴射を実施し、その後噴射により供給される未燃燃料により吸蔵ＮＯｘの還元除去を行う。「後噴射」は、メイン噴射の後に実施されるアフタ噴射又はポスト噴射と称される燃料噴射であり、その後噴射による噴射燃料は気筒内で燃焼に供されることなく、未燃燃料として排気管１８に排出される。この場合、ＮＯｘ還元制御として後噴射を実施することにより、ＮＯｘ触媒２１に吸蔵されたＮＯｘが還元成分により還元除去される。

ＮＯｘ還元制御として後噴射を実施する場合、ＮＯｘ触媒２１に対して供給される未燃燃料が過多となるため、前記同様、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を禁止する。これにより、ＮＯｘ触媒２１の浄化能力が誤判定されるといった不都合が回避できる。

上記実施の形態では、ＮＯｘ触媒２１の上流側及び下流側のＡ／Ｆセンサ２３，２４の検出結果に基づいて検知したＮＯｘ還元の開始及び終了の各タイミングにより還元所要時間ＴＡを算出し、その還元所要時間ＴＡに基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を実施したが、これを変更する。つまり、ＮＯｘ還元制御時の還元成分の供給量をより正確に求めるには、上記の還元所要時間ＴＡ以外に、空燃比のリッチ度合を考慮するのが望ましい。故に、還元所要時間ＴＡとＮＯｘ還元時の触媒上流側の空燃比（上流側Ａ／Ｆセンサ２３の検出結果）とに基づいてＮＯｘ還元成分の供給量を算出し、その算出値に基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を実施すると良い。

また簡易には、触媒上流側のＡ／Ｆセンサ２３の検出結果を用いずにＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を実施することも可能である。つまり、ＥＣＵ３０によりＮＯｘ還元制御が開始されるタイミングを基準として、触媒下流側のＡ／Ｆセンサ２４によってリッチ成分が検出されるまでを還元所要時間として算出し、その還元所要時間に基づいてＮＯｘ触媒２１の浄化能力判定を実施する。この場合、Ａ／Ｆセンサ（酸素濃度センサ）は、ＮＯｘ触媒２１の少なくとも下流側に設けられていれば良い。

発明の実施の形態におけるエンジンシステムの概略を示す構成図である。 リッチパージ制御とＮＯｘ触媒の浄化能力判定との概要を示すタイムチャートである。 ＮＯｘ還元制御の処理手順を示すフローチャートである。 ＮＯｘ触媒の浄化能力判定の処理手順を示すフローチャートである。 ＮＯｘ還元制御において還元成分の供給方法を決定するための関係を表す図である。 別の形態においてＮＯｘ触媒の浄化能力判定の処理手順を示すフローチャートである。 別の形態においてＮＯｘ触媒の浄化能力判定の処理手順を示すフローチャートである。

符号の説明

１０…エンジン、１１…インジェクタ、１８…排気管、２０…ＤＰＦ、２１…ＮＯｘ触媒、２３，２４…Ａ／Ｆセンサ、２５…燃料添加弁、３０…ＥＣＵ。

Claims (9)

1. 内燃機関の排気系に設けられるＮＯｘ吸蔵還元型の触媒を備え、該触媒に吸蔵されたＮＯｘを還元除去するべく前記触媒に対してＮＯｘ還元成分を供給するＮＯｘ還元制御を行う一方、そのＮＯｘ還元制御の実行時にＮＯｘの還元除去に要した還元成分の供給量又はそれに相関するパラメータに基づいて前記触媒の浄化能力を判定する内燃機関の排気浄化装置において、
   前記ＮＯｘ還元制御の実行時に、前記触媒に対して供給される未燃燃料が過多となる状態であるかどうかを判定する判定手段と、
   前記判定手段により未燃燃料過多の状態であると判定された場合に、前記触媒の浄化能力判定を禁止する禁止手段と、
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記ＮＯｘ還元制御を行う手段として、前記内燃機関の空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチパージ手段と、前記触媒に未燃燃料を添加供給する燃料添加手段とを備え、それらリッチパージ手段と燃料添加手段とを選択的に用いて前記触媒に対する還元成分の供給を行う内燃機関の排気浄化装置において、
   前記判定手段は、前記ＮＯｘ還元制御として前記燃料添加手段による燃料添加が実行される場合に、未燃燃料が過多であると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記ＮＯｘ還元制御に際し、前記リッチパージ手段による空燃比のリッチ制御と、前記燃料添加手段による未燃燃料の添加供給とを内燃機関の運転領域に応じて切り替えて実施することを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記内燃機関の排気系において前記触媒の上流側に燃料添加弁を設置した排気浄化装置であって、前記燃料添加手段は、前記燃料添加弁を作動させることにより前記触媒に未燃燃料を添加供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記燃料添加手段は、前記内燃機関の気筒内への多段噴射を可能とする燃料噴射弁を用い、該燃料噴射弁によるメイン噴射後に後噴射を実施することで前記触媒に未燃燃料を添加供給することを特徴とする請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記触媒に供給される未燃燃料量又はガス中の未燃燃料濃度を検出又は演算により求める手段を備え、
   前記判定手段は、前記未燃燃料量又は未燃燃料濃度が、あらかじめ定めた基準値を超える場合に、未燃燃料が過多であると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記触媒に供給されるガス中の未燃燃料の成分比を算出する手段を備え、
   前記判定手段は、前記未燃燃料の成分比が、あらかじめ定めた基準値を超える場合に、未燃燃料が過多であると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
8. 前記ＮＯｘ還元制御を行う手段として、前記内燃機関の空燃比を一時的にリッチ側に制御するリッチパージ手段と、前記触媒に未燃燃料を添加供給する燃料添加手段とを備え、それらリッチパージ手段と燃料添加手段とを選択的に用いて前記触媒に対する還元成分の供給を行う内燃機関の排気浄化装置において、
   前記燃料添加手段による未燃燃料の添加供給量をパラメータとして、前記未燃燃料の量又は濃度を算出することを特徴とする請求項６又は７に記載の内燃機関の排気浄化装置。
9. 排気中の酸素濃度を検出する酸素濃度センサを少なくとも前記触媒の下流側に設け、前記ＮＯｘ還元制御の開始後において触媒下流側に還元成分が流出し始めたことを前記酸素濃度センサによって検出した時にＮＯｘ還元が完了したとするとともに、そのＮＯｘ還元の完了までに要した所要時間に基づいて前記触媒の浄化能力を判定することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。

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