JP2009127497A

JP2009127497A - ＮＯｘ浄化装置の診断装置

Info

Publication number: JP2009127497A
Application number: JP2007302270A
Authority: JP
Inventors: Taiga Hagimoto; 大河萩本; Yutaka Sawada; 裕澤田; Daisuke Shibata; 大介柴田
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2007-11-21
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2009-06-11
Anticipated expiration: 2027-11-21
Also published as: JP4798511B2

Abstract

【課題】車載状態などで、選択還元型ＮＯｘ触媒への還元剤供給用の添加弁を適切に診断する。
【解決手段】本発明は、内燃機関１０の排気通路２６に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒４４に、還元剤を選択的に添加して、ＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置における還元剤添加用添加弁４６の診断を可能とする。具体的には、本発明に係るＮＯｘ浄化装置の診断装置は、排気通路２６に設けられたＮＯｘ触媒４４に還元剤を選択的に添加するためにＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路に臨む添加弁４６を含んで構成された還元剤供給手段５２と、ＮＯｘ触媒４４上流側かつ添加弁４６下流側の排気通路に設けられた温度センサ６４と、該温度センサ６４を用いて検出された温度に基づいて添加弁４６の状態を判断する添加弁状態判断手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒に、還元剤を添加してＮＯｘを浄化するＮＯｘ浄化装置の診断装置に関する。

一般に、ディーゼル機関等の内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置として、排気ガスに含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）を浄化するためのＮＯｘ触媒を含むものが知られている。このＮＯｘ触媒としては様々なタイプのものが知られているが、その中で、還元剤の添加によりＮＯｘを連続的に還元除去する選択還元型ＮＯｘ触媒が公知である。還元剤としては尿素が知られており、通常は尿素水溶液（尿素水）がＮＯｘ触媒上流側の排気ガス中に噴射供給される。排気ガスやＮＯｘ触媒からの受熱により尿素からアンモニアが発生され、このアンモニアによりＮＯｘ触媒上でＮＯｘが還元される。この選択還元型ＮＯｘ触媒の使用に当たっては、触媒に供給する還元剤の量を適切な量に制御する必要がある。このため、ＮＯｘ触媒の下流側にＮＯｘセンサを設け、このＮＯｘセンサを用いて検出された排気ガス中のＮＯｘ濃度等に応じて還元剤の量を制御する手法が採用される。

ところで、例えば自動車に搭載された内燃機関の場合、排気ガスが悪化した状態での走行を未然に防止するため、車載状態（オンボード）で触媒等の異常を検出することが各国法規等からも要請されている。例えば、特許文献１に、還元剤供給装置の診断装置が開示されている。この装置は、内燃機関の排気系に配置された還元剤供給装置の還元剤添加弁の先端の温度に基づいて、還元剤供給装置の異常を診断する診断手段を備え、この診断手段は、所定量の還元剤を供給させるべく還元剤供給装置を制御した時にその温度の低下量から実際の還元剤供給量を求め、該実際の還元剤供給量と前記所定量との差が一定値以上であれば前記還元剤供給装置が異常であると診断する。

特開２００７−６４１１２号公報

上記特許文献１に記載の装置では、添加弁に還元剤以外の水等の液体が付着することで添加弁先端部の温度が変動する際、還元剤供給装置の異常を適切に診断するのが困難になる。また、添加弁の噴孔が複数ある場合には、その幾つかが詰まっても噴射された還元剤の供給総量が概ね同じである限りは、その噴射方向がどのようなものであっても、添加弁先端部の温度は概ね同じである。したがって上記特許文献１に記載の装置で還元剤供給装置の添加弁の診断をするのには限界がある。

そこで、本発明はかかる点に鑑みて創案されたものであり、その目的は、車載状態などで、選択還元型ＮＯｘ触媒への還元剤供給用の添加弁を適切に診断することにある。

上記目的を達成するため、本発明のＮＯｘ浄化装置の診断装置は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、該ＮＯｘ触媒に還元剤として尿素水またはアンモニアを選択的に添加するために前記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路に臨む添加弁を含んで構成された還元剤供給手段とを備えたＮＯｘ浄化装置の診断装置において、前記ＮＯｘ触媒上流側かつ前記添加弁下流側の排気通路に設けられた温度センサと、該温度センサを用いて検出された温度に基づいて、前記添加弁の状態を判断する添加弁状態判断手段とを備えたことを特徴とする。

かかる構成によれば、ＮＯｘ触媒上流側かつ添加弁下流側の排気通路に設けられた温度センサを用いて検出された温度に基づいて、添加弁の状態が判断される。その温度センサを用いて検出される温度は、添加弁から供給された還元剤の影響を受けて変動する。この温度の変動幅は、正常時であれば、制御目標の還元剤量と相関関係にある。それ故、添加弁からの還元剤供給が適切に行われているか否か、すなわち添加弁の状態を、その温度に基づいて判断することが可能になる。したがって、選択還元型ＮＯｘ触媒への還元剤供給用の添加弁を適切に診断することが可能になる。

好ましくは、前記添加弁状態判断手段は、前記還元剤供給手段により還元剤が供給されたことによる、前記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路の温度低下量を導出する温度低下量導出手段と、該温度低下量導出手段により導出された前記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路の温度低下量が、前記還元剤供給手段における制御目標の還元剤量と相関関係のある所定温度範囲の温度でないとき、前記添加弁に異常があると判断する異常判断手段とを備えている。こうすることで、適切に添加弁に異常があるか否かを判断することが可能になる。

そして、前記温度センサの検出先端部が該温度センサの中で鉛直方向上方側に位置するように、前記温度センサは設けられているとよい。こうすることで、温度センサにかかった還元剤は、その自重により、鉛直方向下方に向けて流れることが可能になる。したがって、ふりかかった還元剤を原料として温度センサの検出先端部にデポジットが形成されて、その感度が悪化するということを、抑制することが可能になる。

また、上述のＮＯｘ浄化装置の診断装置は、前記ＮＯｘ触媒上流側の排気ガスの温度測定条件が満たされているか否かを判定する温度測定条件判定手段と、該温度測定条件判定手段により肯定判定されたとき、前記還元剤供給手段から供給される還元剤量を、当量比１相当量を超える量まで増量させる増量手段と、該増量手段により前記還元剤量が増量されたことにより所定量の還元剤あるいはアンモニアが前記ＮＯｘ触媒に付着あるいは吸着されているか否かを判定する吸着等判定手段と、該吸着等判定手段により肯定判定されたとき、前記還元剤供給手段に還元剤の供給を停止させる還元剤供給停止手段と、該還元剤供給停止手段により前記還元剤供給手段による還元剤の供給が停止されているとき、前記温度センサを用いて前記ＮＯｘ触媒上流側の排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段とをさらに備えているとよい。こうすることで、前記温度センサを用いて、ＮＯｘ触媒上流側の排気ガスの温度の検出と添加弁の診断との両方を行うことができる。さらに、所定量の還元剤あるいはアンモニアが前記ＮＯｘ触媒に付着あるいは吸着されたとき還元剤供給手段に還元剤の供給を停止させるので、こうして還元剤の供給が停止されたとき、排気エミッションが悪化することを防ぐことが可能になる。

本発明によれば、選択還元型ＮＯｘ触媒への還元剤供給用の添加弁を適切に診断することができるという、優れた効果が発揮される。

以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１は、本発明の実施形態に係るＮＯｘ浄化装置の診断装置を適用した内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車用の圧縮着火式内燃機関すなわちディーゼル機関であり、１２は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１４は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１６は燃焼室である。ここでは、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１８に供給された燃料が、高圧ポンプ１８によりコモンレール２０に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール２０内の高圧燃料がインジェクタ２２から燃焼室１６内に直接噴射供給される。内燃機関１０からの排気ガスは、排気行程で排気弁が開弁されることで燃焼室１６から排出され、排気マニフォルド１４からターボチャージャ２４を経た後にその下流の排気通路２６に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼル機関の形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。

他方、エアクリーナ２８から吸気通路３０内に導入された吸入空気は、エアフローメータ３２、ターボチャージャ２４、インタークーラ３４、スロットルバルブ３６、吸気マニフォルド１２、吸気弁を順に通過して燃焼室１６に至る。エアフローメータ３２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ３６には電子制御式のものが採用されている。

排気通路２６には、上流側から順に、排気ガス中の未燃成分（特にＨＣ）を酸化して浄化する酸化触媒４０と、排気ガス中の粒子状物質（ＰＭ）を捕集して燃焼除去するＤＰＲ（Diesel Particulate Reduction）触媒４２と、排気ガス中のＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒能を有する触媒としての選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ: Selective Catalytic Reduction）４４とが直列に設けられている。

そして、ＮＯｘ触媒４４とＤＰＲ触媒４２との間、すなわちＤＰＲ触媒４２下流側かつＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路２６ｍに、ＮＯｘ触媒４４にアンモニアを選択的に添加可能にすべく、還元剤としての尿素を供給するための添加弁４６が設けられている。尿素は尿素水の形で使用され、添加弁４６から下流側のＮＯｘ触媒４４に向かって排気通路２６内に噴射供給される。添加弁４６には、これに尿素水を供給するための供給機４８が接続され、供給機４８には尿素水を貯留するタンク５０が接続される。なお、ここでは、添加弁４６、供給機４８、タンク５０を含んで還元剤供給装置５２が構成されている。また、供給機４８は、ここではポンプである。なお、ここでは添加弁４６から供給された尿素は直接的にＮＯｘ触媒４４に添加されるが、添加尿素を適切に満遍なくＮＯｘ触媒４４に供給するべく添加尿素を分散させて広範囲に方向付ける分散板などがＮＯｘ触媒４４の入口部あるいはその近傍に設けられてもよい。

選択還元型ＮＯｘ触媒４４は、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌを主成分とすると共にＦｅイオンを含むゼオライトから構成されている。ＮＯｘ触媒４４は、その触媒温度が活性温度域（ＮＯｘ浄化温度域）にあり、かつ、上記還元剤供給装置５２から尿素が供給されているときにＮＯｘを還元浄化する。上記の如く尿素は尿素水として供給され、排気通路２６の熱で加水分解および熱分解される。この結果、アンモニアが生成される。すなわち、尿素（尿素水）がＮＯｘ触媒４４に向けて添加されると、ＮＯｘ触媒４４上でアンモニアが生成される。このアンモニアがＮＯｘ触媒４４上でＮＯｘと反応して、ＮＯｘが還元される。なお、ＮＯｘ触媒４４としては、アルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５）を担持させたもの等が他に使用され得る。

なお、ディーゼルパティキュレートフィルタ（Diesel Particulate Filter；ＤＰＦ）の一種であるＤＰＲ触媒４２は、フィルタ構造であると共に表面に貴金属を有する。つまり、ＤＰＲ触媒４２は、フィルタで捕集したＰＭを、貴金属の触媒作用を利用して連続的に酸化（燃焼）させる連続再生式の触媒である。

本実施形態の内燃機関１０の排気通路２６には、上流側から順に、酸化触媒４０、ＤＰＲ触媒４２およびＮＯｘ触媒４４が配列されているが、配列順序はこれに限られない。また、ＤＰＦとしてＤＰＲ触媒４２が設けられることに限られず、他のタイプのＤＰＦが使用可能である。具体的には、ＤＰＦは、フィルタ構造体としてのみ構成され、内燃機関の連続作動時間が所定時間を越えた時期あるいはＤＰＦ前後の差圧が所定値以上になった時期に、例えば燃料噴射時期を遅らせて後燃えを生じさせることで、捕集した粒子状物質が酸化燃焼されて再生が図られるものであっても良い。ただし、このようなＤＰＦの所定時期での再生は、ＤＰＲ触媒４２に対しても適用され得る。なお、酸化触媒４０およびＤＰＲ触媒４２の少なくとも一方を省略することも可能である。さらに、ＮＯｘ触媒４４から下流側に流出した（漏れた）アンモニアを酸化して浄化するべく、酸化触媒４０の有無に関わらず、酸化触媒がＮＯｘ触媒４４の下流側に設けられるとよい。

また、還元剤供給装置５２を備えた内燃機関１０全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（ＥＣＵ）６０が設けられる。ＥＣＵ６０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポート、および記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ６０は、各種センサ類を用いて得られた検出値等に基づいて、所望の内燃機関制御が実行されるように、インジェクタ２２、高圧ポンプ１８、スロットルバルブ３６等を制御すると共に、還元剤供給量や還元剤供給時期を制御すべく、還元剤供給装置５２の添加弁４６および供給機４８を制御する。

ＥＣＵ６０に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ３２の他、ＮＯｘ触媒４４下流側に設けられたＮＯｘセンサすなわち触媒後ＮＯｘセンサ６２、ＮＯｘ触媒４４上流側とその下流側とにそれぞれ設けられた２つの温度センサすなわち触媒前排気温センサ６４および触媒後排気温センサ６６が含まれる。触媒後ＮＯｘセンサ６２は、その設置位置における排気ガスのＮＯｘ濃度すなわち触媒後ＮＯｘ濃度に応じた信号をＥＣＵ６０に出力する。触媒前排気温センサ６４および触媒後排気温センサ６６は、それら設置位置における排気ガスつまり排気通路の温度に応じた信号をＥＣＵ６０に出力する。図１から明らかなように、触媒前排気温センサ６４は、排気通路２６の内、ＤＰＲ触媒４２の下流側かつＮＯｘ触媒４４の上流側の排気通路２６ｍに設置される。ただし、触媒前排気温センサ６４は、排気通路２６ｍの内でも、添加弁４６下流側の位置に設けられていて、添加弁４６から添加供給された還元剤の一部は直接的に触媒前排気温センサ６４の検出先端部６４ｔにかかるように設計されている。なお、触媒前排気温センサ６４は、添加弁４６から供給された還元剤の影響を受けて検出温度が変動する位置であれば直接的に還元剤がふりかかるような位置に設けられなくてもよく、逆に、添加弁４６から供給された還元剤の全てが直接的にかかるような位置に設けられてもよい。

また他のセンサ類として、クランク角センサ７０、アクセル開度センサ７２および内燃機関スイッチ７４がＥＣＵ６０に接続されている。クランク角センサ７０はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ６０に出力し、ＥＣＵ６０はそのクランクパルス信号に基づき内燃機関１０のクランク角を検出すると共に、内燃機関１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ７２は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ６０に出力する。内燃機関スイッチ７４はユーザによって機関始動時にオン、機関停止時にオフされる。

なお、還元剤供給装置５２を含む還元剤供給手段は、還元剤供給装置５２の作動を制御する役割を担うＥＣＵ６０の一部と還元剤供給装置５２とを含んで構成される。添加弁４６の状態を判断する添加弁状態判断手段は、ＥＣＵ６０の一部を含んで構成される。また、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気ガスの温度測定条件が満たされているか否かを判定する温度測定条件判定手段は、ＥＣＵ６０の一部を含んで構成される。また、還元剤供給装置５２から供給される還元剤量を増量させる増量手段は、ＥＣＵ６０の一部を含んで構成される。ＮＯｘ触媒のアンモニア吸着等を判定する吸着等判定手段は、ＥＣＵ６０の一部を含んで構成される。還元剤供給停止手段も、同様に、ＥＣＵ６０の一部を含んで構成される。排気ガス温度検出手段は、ＥＣＵ６０の一部を含んで構成される。

ＮＯｘ触媒４４の温度は、ここでは推定することで求められる。具体的には、ＥＣＵ６０が、触媒前排気温センサ６４および触媒後排気温センサ６６からの出力信号に基づいてそれぞれ検出された触媒前排気温および触媒後排気温に基づき、ＮＯｘ触媒温度を推定する。なお推定方法はこのような例に限られない。ＮＯｘ触媒４４の温度は、ＮＯｘ触媒４４に埋設した温度センサを用いて直接的に検出することとしてもよい。

ＮＯｘ触媒４４に向けた還元剤供給量などは、触媒後ＮＯｘセンサ６２を用いて検出される触媒後ＮＯｘ濃度（あるいはこのＮＯｘ濃度と関係のあるＮＯｘ量）に基づき制御される。具体的には、触媒後ＮＯｘ濃度が常にゼロになるように添加弁４６からの尿素供給量が制御される。この場合、触媒後ＮＯｘ濃度のみに基づいて尿素供給量を設定してもよく、あるいは、機関運転状態（例えば機関回転速度とアクセル開度）に基づく基本尿素供給量を、触媒後ＮＯｘセンサ６２からの出力信号に基づいて検出された触媒後ＮＯｘ濃度に基づきフィードバック補正してもよい。こうして、制御上、添加弁４６から供給されて添加されることが望まれる還元剤の量を、本明細書において、制御目標の還元剤量と称し得る。ＮＯｘ触媒４４はアンモニアがあるときのみＮＯｘを還元可能なので、通常、尿素は常時供給される。また、内燃機関１０から排出されるＮＯｘを還元するのに必要な最小限の量しか尿素が供給されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加するとアンモニアがＮＯｘ触媒４４の下流に流出されてしまい（いわゆるアンモニアスリップ）、異臭等の原因となるからである。

ここで、内燃機関１０から排出されるＮＯｘの全量を還元するのに必要なアンモニアの最小量に相当する還元剤量ここでは尿素量をＡ、実際に供給された尿素量をＢとすると、これらの比Ｂ／Ａは当量比と称される。これは還元剤としてアンモニアを用いた場合にも同様に適用できる概念である。当量比ができるだけ１に近づくように尿素供給制御が実行されてはいるものの、実際には内燃機関１０の運転状態が時々刻々と変化することから、実際の当量比は必ずしも１とならない。当量比が１より小さい場合、尿素供給量が不足しており、触媒下流側にＮＯｘが排出されるので、これを触媒後ＮＯｘセンサ６２を用いて検知して尿素供給量を増量するようにしている。なお当量比が１より大きい場合、すなわち還元剤量が当量比１相当量を超える量のときには、尿素供給量が過剰となる。還元剤量が当量比１相当量を超える量のときには、余剰分の尿素あるいはアンモニアはＮＯｘ触媒４４に付着するあるいは吸着されることもあり、この場合、還元剤の供給を停止しても、付着あるいは吸着された尿素あるいはアンモニアにより暫くの間はＮＯｘを還元できる。

機関暖機時、ＮＯｘ触媒４４が内燃機関１０からの排気熱で昇温されるのに対し、触媒後ＮＯｘセンサ６２は内蔵ヒータの加熱により比較的早く昇温する。したがって、通常は、ＮＯｘ触媒４４よりも早く触媒後ＮＯｘセンサ６２が活性化する。ＥＣＵ６０は、触媒後ＮＯｘセンサ６２のインピーダンスを検知すると共に、このインピーダンスが、触媒後ＮＯｘセンサ６２の活性温度に対応する所定値になるように、ヒータを制御する。

以下、本実施形態での添加弁４６の診断について説明する。添加弁４６の診断は、触媒前排気温センサ６４からの出力信号に基づいて検出される、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路２６ｍの温度に基づいて診断される。

ところで、上述の如く、触媒前排気温センサ６４は、ＮＯｘ触媒４４の温度を求めることにも使用される。しかしながら、ＮＯｘ触媒４４の温度測定と、添加弁４６の診断とを同時に行うことはできない。そこで、ここでは、ＮＯｘ触媒４４の温度を導出するときを除いて、触媒前排気温センサ６４は、添加弁４６の診断に用いられる。

まず、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路の温度の導出およびＮＯｘ触媒４４の温度の導出に関して図２のフローチャートに基づいて説明する。図２のフローチャートは、およそ２０ｍｓ毎に繰り返されるものである。

最初のステップＳ２０１では、添加フラグがＯＮであるか否かが判定される。添加フラグは、初期状態ではリセットされているため、ここでは否定判定される。

ステップＳ２０１で否定判定されると、ステップＳ２０３へ進み、触媒前排気温センサ６４からの出力信号に基づいてＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路すなわち排気ガスの温度が検出される（測定される）（図２中、排気温度測定）。これにより、別途、触媒後排気温センサ６６からの出力信号に基づいて検出された排気ガスの温度を併せて用いることで、上述の如く、ＮＯｘ触媒４４の温度が推定される。

ステップＳ２０３の次のステップＳ２０５では、ＮＯｘ触媒４４の温度が所定温度以上か否かが判定される。ここでは、ＮＯｘ触媒４４の温度として、ステップＳ２０３で検出されたＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路の温度に基づいて推定されたＮＯｘ触媒４４の温度が用いられる。また、ここでは、所定温度として、ＮＯｘ触媒４４の活性温度域の下限値が設定されていて、これは例えば２００℃である。それ故、例えば機関始動時、特に機関冷間始動時には、ＮＯｘ触媒４４の温度が低いので、ステップＳ２０５では否定判定される。なお、ＮＯｘ触媒４４の温度が活性温度域にあるか否かの判定としてステップＳ２０５での判定が行われるが、ステップＳ２０５での判定として機関始動時か否か、あるいは冷間始動時か否かの判定が行われてもよい。また、冷間始動時か否かの判定用に、図１には記していないが、内燃機関１０の冷却水温を求めるための水温センサが設けられ得る。

ステップＳ２０５で否定判定されると、ステップＳ２０７で添加フラグがＯＦＦにされて、該ルーチンは終了する。他方、ステップＳ２０５で肯定判定されると、ステップＳ２０９で添加フラグがＯＮにされ、該ルーチンは終了する。

ステップＳ２０９で添加フラグがＯＮにされるときは、ＮＯｘ触媒４４の温度が活性温度域の温度であるときであるので、ステップＳ２０９に至って以降、添加フラグがＯＦＦにされない限りは原則として、上述の還元剤供給制御により、概ね当量比１相当量の還元剤がＮＯｘ触媒４４に添加弁４６から供給される。これにより、添加弁４６から供給された還元剤は触媒前排気温センサ６４にふりかかりつつ、ＮＯｘ触媒４４に供給される。したがって、添加フラグがＯＮにされているときは、原則としては、ＮＯｘ触媒４４の温度を温度センサ６４、６６を用いて求めることができないので、この場合には、それは機関運転状態に基づいて推定される。そして、このように推定されたＮＯｘ触媒４４の温度に基づいて、還元剤供給制御における還元剤の供給量すなわち制御目標の還元剤量は補正され得る。なお、還元剤の添加が実行されているときには、ＮＯｘ触媒４４の温度は如何なる手段および方法によっても導出されなくてもよい。これは、ＮＯｘセンサ６２からの出力信号に基づいて検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、還元剤供給制御を基本的には行うことができるからである。しかしながら、還元剤供給制御をＮＯｘ触媒４４の温度を考慮して行った方が、より適切に還元剤供給制御は行われ得る。ＮＯｘ触媒４４の温度に応じて、ＮＯｘ触媒４４のＮＯｘ浄化能およびアンモニア吸着能が変化するからである。

ステップＳ２０９で添加フラグがＯＮにされて、以降のルーチンのステップＳ２０１で肯定判定されるようになると、ステップＳ２１１で排気ガスの温度測定実行用の温度測定条件が満たされているか否か（図２中、排気温度測定条件成立か否か）の判定が行われる。本実施形態では、温度測定条件として、ステップＳ２０９に至ってからの時間が所定時間を越えることが課されている。この条件は、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路の温度が最後に測定されて還元剤供給が開始あるいは再開されてからの時間が所定時間を越えたことに相当する。この時間を継続して測定するべく、ＥＣＵ６０はタイマ装置を内蔵している。なお、このタイマ装置は、計測継続、終了、再開等が可能なものである。機関始動後、初めてステップＳ２０９に至ったときにはタイマ装置によって計測される時間はリセットされているので、例えば内燃機関１０の始動から間もないときにはステップＳ２１１で否定判定される。

ステップＳ２１１で否定判定されると、ステップＳ２１３で測定フラグがＯＦＦにされて、該ルーチンは終了する。なお、測定フラグは、初期状態ではＯＦＦにされているので、ＯＦＦ状態に保たれることになる。なお、測定フラグが後述するようにＯＮにされた後、ステップＳ２１３に至ることで再度ＯＦＦにされることで、ステップＳ２０９に至ったときからの計測時間はリセットされて、再度、継続して測定される。

他方、ステップＳ２１１で肯定判定されると、次ぐステップＳ２１５で測定フラグがＯＦＦか否かが判定される。機関始動時などでは測定フラグがＯＦＦにされているので、肯定判定される。そして、ステップＳ２１５で肯定判定されると、次ぐステップＳ２１７で還元剤供給量が基本増量分、増量される。したがって、当量比１相当量を超える量まで制御目標の還元剤量は増量され、その量の還元剤が供給されるようになる。

次ぐ、ステップＳ２１９では、供給量増大時間が所定増量時間以上になったか否かが判定される。この供給量増大時間は、文字通り、制御目標の還元剤量を多くしている時間であり、ここではこの時間としてステップＳ２１５で肯定判定されてからの時間が採用される。ただし、この時間はＥＣＵ６０が内蔵するタイマ装置によって計測される。これに対してステップＳ２１９での判定基準となる所定増量時間は、所定量の尿素水あるいはアンモニアがＮＯｘ触媒４４に付着するあるいは吸着されるのに十分な時間であり、予め実験により定められてＲＯＭに記憶されている。つまり、ステップＳ２１９での判定は、所定量の還元剤あるいはアンモニアがＮＯｘ触媒４４に付着あるいは吸着されているか否かの判定に相当する。ステップＳ２１９で否定判定されると、該ルーチンは終了する。

他方、ステップＳ２１９で肯定判定されるようになると、ステップＳ２２１で測定フラグがＯＮにされる。測定フラグがＯＮにされると、添加フラグがＯＮにされているので行われていた還元剤の供給添加の全てが停止される。これが、添加フラグがＯＮにされているときに還元剤供給が行われない例外である。これにより、触媒前排気温センサ６４には還元剤がかからなくなる。そして、次ぐステップＳ２２３で触媒前排気温センサ６４からの出力信号に基づいて排気ガスの温度が検出される。そして、該ルーチンは終了される。これにより、ＮＯｘ触媒４４の温度を適切に推定することが可能になる。このように導出されたＮＯｘ触媒４４の温度に基づいて、機関運転状態に基づくＮＯｘ触媒４４の温度推定も補正あるいは修正され、この後測定フラグがＯＦＦにされたときの制御目標の還元剤量も修正される。

以後のルーチンのステップＳ２１１で否定判定されるようになると、ステップＳ２１３で測定フラグがＯＦＦにされて、還元剤添加が再開される。

なお、ここでは、例えば、ステップＳ２０９に至ってからなどの還元剤供給時間が３０分経過するごとに、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気ガスの温度測定条件が成立し、そこから３０秒間、その温度測定条件が満たされているとされる。そして、例えば、排気ガスの温度測定条件が成立してから２０秒間がステップＳ２１９での所定時間としてセットされる。なお、これらの時間は、機関運転状態等やＮＯｘ触媒４４の温度に基づいて可変とされ得る。

このように、ここでは、ＮＯｘ触媒４４の温度が活性温度域の温度であるとき、基本的には還元剤供給が行われ、その途中途中で還元剤供給が停止されて、ＮＯｘ触媒４４の温度の測定が行われる。したがって、ＮＯｘ触媒４４に適切な量の還元剤を概ね継続して供給することが可能になる。そして、上記の如く、還元剤供給が停止される前に、当量比１相当量を超える量まで増量された量の還元剤が供給され、所定量の余剰分の還元剤等がＮＯｘ触媒４４に吸着等保持される。したがって、還元剤供給が停止されているとき、還元剤不足が生じず、余剰分のその吸着等された還元剤やアンモニアを用いて、適切にＮＯｘの還元浄化を図ることが可能になる。

なお、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気ガスの温度測定を行うために、その前に、還元剤量を多くするが、このときの余剰アンモニアが適切にＮＯｘ触媒４４に吸着されるように、ステップＳ２１１での排気ガスの温度測定条件に、ＮＯｘ触媒４４の温度がアンモニア吸着可能温度域であることを加えるのが好ましい。ただし、上記の如く構成されたＮＯｘ触媒は、図３に示すような、特性を有する。図３では、横軸にＮＯｘ触媒４４の温度をとり、これに対して曲線αでＮＯｘ触媒４４のＮＯｘ浄化能が、また曲線βでＮＯｘ触媒４４のアンモニア吸着能が概念的に表されている。図３の温度域Ｉがアンモニア吸着可能温度域であり、温度域ＩＩが活性温度域すなわちＮＯｘ浄化温度域である。すなわち、ステップＳ２０５での所定温度は、図３における温度Ｔ１に相当する。

なお、上記ステップＳ２１１での、排気ガスの温度測定実行用の温度測定条件として、種々の異なる条件が課され得る。たとえば、ＤＰＦにおいてＰＭ再生を図る時期を判断するための条件が、その条件にされ得る。この場合、具体的には、内燃機関の連続作動時間が所定時間を越えたか否か、あるいはＤＰＦ前後の差圧が所定値以上になったか否かが、ステップＳ２１１で判定される。

次に、添加弁４６の診断に関して図４のフローチャートに基づいて説明する。ただし、本実施形態では、添加弁４６の診断は、還元剤が供給されているときに行われる。なお、図４のフローチャートは、およそ２０ｍｓ毎に繰り返されるものである。

最初のステップＳ４０１では、添加フラグがＯＮかつ測定フラグがＯＦＦであるか否かが判定される。添加フラグや測定フラグのＯＮ−ＯＦＦの切り換えに関しては既に述べたので、ここでの説明は省略される。なお、ステップＳ４０１で肯定判定されるときには、還元剤供給が行われている。

ステップＳ４０１で否定判定されると、該ルーチンは終了する。他方、ステップＳ４０１で肯定判定されると、ステップＳ４０３で温度低下量が導出される。この温度低下量は、還元剤供給装置５２から還元剤が供給されたことによる、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路の温度低下量であり、機関運転状態に基づいて導出されるＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路すなわち排気ガスの温度から、触媒前排気温センサ６４からの出力信号に基づいて検出された排気通路の温度を差し引くことで求められる。機関運転状態に基づく排気ガスの温度の導出つまり推定は、吸入空気量、アクセル開度、エンジン回転速度などの１つまたは幾つかに基づいて、予め実験により求められてＲＯＭに記憶されているデータを検索することで行われる。なお、温度低下量とは、触媒前排気温センサ６４に還元剤がかかることで、その気化熱に起因して、排気通路すなわち排気ガスの温度として検出されるべき値が下がった量である。したがって、この温度低下量は、触媒前排気温センサ６４にかかった還元剤量すなわち還元剤供給装置５２からの供給還元剤量と相関関係がある。

ステップＳ４０３で温度低下量が導出されると、次ぐステップＳ４０５でその温度低下量がＬｏｗ基準値未満か否かが判定される。そして、ここで肯定判定されると、ステップＳ４０７で、還元剤供給量が不足しているとして、運転席のフロントパネル等に設けられた警告ランプ（不図示）が点灯される。他方、ステップＳ４０５で否定判定されると、ステップＳ４０９で温度低下量がＨｉｇｈ基準値を超えているか否かが判定される。そして、ここで肯定判定されると、ステップＳ４１１で還元剤供給量が過剰であるとして、警告ランプが点灯される。

すなわち、ステップＳ４０５およびステップＳ４０９の両判定は添加弁４６の状態を判断する判定であり、具体的にはそれに異常があるか否かの判定に相当する。ステップＳ４０３で導出された温度低下量が所定温度範囲、すなわちＬｏｗ基準値以上Ｈｉｇｈ基準値以下の温度範囲内の温度でないとき、添加弁４６に異常があると判断される。なお、所定温度範囲は、還元剤供給装置５２における制御目標の還元剤量と相関関係のある温度範囲である。それ故、この所定温度範囲は、固定でもよいが好ましくは変動され、添加されることが望まれる還元剤の量すなわち制御目標の還元剤量と同様に、その時々で機関運転状態などに基づいてデータを検索するなどして、導出および設定され得る。

例えば、添加弁４６からの実際の還元剤の供給量が当量比１相当量からかけ離れている場合には、ステップＳ４０５、Ｓ４０９のいずれかで肯定判定される。また、添加弁４６が複数の噴孔を有して構成され、それらの幾つかが詰まった結果、還元剤の供給方向（噴射方向）が偏っている場合にも、触媒前排気温センサ６４にかかる還元剤量が当量比１相当量と関連性の低い量になるので、このような場合にも、ステップＳ４０５、Ｓ４０９のいずれかで肯定判定される。したがって、添加弁４６に何らかの異常があることを適切に知ることが可能になるので、添加弁４６の診断を適切に行うことが可能になる。

また、上記の如く、本実施形態では、触媒前排気温センサ６４の検出部すなわち検出先端部６４ｔが鉛直方向上方側に位置するように、触媒前排気温センサ６４は排気通路２６ｍに設けられた。これによって、還元剤の供給を停止したときに、触媒前排気温センサ６４にそれまでにふりかかった還元剤は自重により鉛直方向下方側に向けて流れることができるので、そのときに触媒前排気温センサ６４で適切にＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路の温度を測定することが可能になる。したがって、ここでは、触媒前排気温センサ６４の検出部を鉛直方向下方側に向けて排気通路に設けることは好ましくないが、これが鉛直方向上方側に向けて設けられるのであれば、傾いて、例えば上流側、下流側あるいは横側に傾いて設けられてもよい。なお、このように、触媒前排気温センサ６４の検出部が鉛直方向上方に向けられていて、触媒前排気温センサ６４に付着した還元剤がその自重により適切に検出部から離れる方向に流れる結果、触媒前排気温センサ６４の感度を良好に維持することが可能になる。

以上、本発明を上記実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されない。上記実施形態では、触媒前排気温センサ６４を、ＮＯｘ触媒４４の温度測定および添加弁４６の異常診断の両方に用いたが、これら両方のために共通の温度センサが用いられなくてもよい。例えば、添加弁４６下流側かつＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路に添加弁診断用の温度センサを設け、他方、ＮＯｘ触媒温度測定用に添加弁４６上流側かつＤＰＲ触媒４２下流側の排気通路に触媒前排気温センサを設けると共にＮＯｘ触媒下流側の排気通路に触媒後排気温センサを設けることにしてもよい。あるいは、添加弁下流側かつＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路に添加弁診断用の温度センサを設け、他方、ＮＯｘ触媒温度測定用にＮＯｘ触媒４４に直接的に１つの温度センサを設けてもよい。

また、上記実施形態では、ＮＯｘ触媒４４上流側の排気通路の温度測定と、添加弁４６の診断とを関連付けたが、全く関連付けられなくてもよい。例えば、添加弁４６の診断のみが上記触媒前温度センサ６４の如き温度センサを用いて行われる実施形態を本発明は許容する。

また、本発明は圧縮着火式内燃機関以外の内燃機関にも適用可能であり、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリン内燃機関にも適用可能である。

本発明の実施形態は前述の実施形態やその変形例のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。したがって本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

実施形態を適用した内燃機関の概略的なシステム図である。実施形態の温度測定実施用のフローチャートである。実施形態のＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化能およびアンモニア吸着能の各々の変化を、ＮＯｘ触媒の温度に対して概念的に表したグラフである。実施形態の添加弁診断用のフローチャートである。

符号の説明

１０ディーゼル機関
１２吸気マニフォルド
１４排気マニフォルド
１６燃焼室
１８高圧ポンプ
２０コモンレール
２２インジェクタ
２４ターボチャージャ
２６排気通路
２８エアクリーナ
３０吸気通路
３２エアフローメータ
３４インタークーラ
３６スロットルバルブ
４０酸化触媒
４２ＤＰＲ触媒
４４選択還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
４６添加弁
４８供給機
５０タンク
５２還元剤供給装置
６２（触媒後）ＮＯｘセンサ
６４触媒前排気温センサ
６６触媒後排気温センサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、該ＮＯｘ触媒に還元剤として尿素水またはアンモニアを選択的に添加するために前記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路に臨む添加弁を含んで構成された還元剤供給手段とを備えたＮＯｘ浄化装置の診断装置において、
前記ＮＯｘ触媒上流側かつ前記添加弁下流側の排気通路に設けられた温度センサと、
該温度センサを用いて検出された温度に基づいて、前記添加弁の状態を判断する添加弁状態判断手段と
を備えたことを特徴とするＮＯｘ浄化装置の診断装置。
前記添加弁状態判断手段は、
前記還元剤供給手段により還元剤が供給されたことによる、前記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路の温度低下量を導出する温度低下量導出手段と、
該温度低下量導出手段により導出された前記ＮＯｘ触媒上流側の排気通路の温度低下量が、前記還元剤供給手段における制御目標の還元剤量と相関関係のある所定温度範囲の温度でないとき、前記添加弁に異常があると判断する異常判断手段と
を備えていることを特徴とする請求項１に記載のＮＯｘ浄化装置の診断装置。
前記温度センサの検出先端部が該温度センサの中で鉛直方向上方側に位置するように、前記温度センサは設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載のＮＯｘ浄化装置の診断装置。
前記ＮＯｘ触媒上流側の排気ガスの温度測定条件が満たされているか否かを判定する温度測定条件判定手段と、
該温度測定条件判定手段により肯定判定されたとき、前記還元剤供給手段から供給される還元剤量を、当量比１相当量を超える量まで増量させる増量手段と、
該増量手段により前記還元剤量が増量されたことにより所定量の還元剤あるいはアンモニアが前記ＮＯｘ触媒に付着あるいは吸着されているか否かを判定する吸着等判定手段と、
該吸着等判定手段により肯定判定されたとき、前記還元剤供給手段に還元剤の供給を停止させる還元剤供給停止手段と、
該還元剤供給停止手段により前記還元剤供給手段による還元剤の供給が停止されているとき、前記温度センサを用いて前記ＮＯｘ触媒上流側の排気ガスの温度を検出する排気ガス温度検出手段と
をさらに備えていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のＮＯｘ浄化装置の診断装置。