JP2009191756A - 酸化触媒の故障診断装置及び酸化触媒の故障診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化触媒の故障診断を所望の時期に精度よく行なうことができる酸化触媒の故障診断装置、故障診断方法及びそのような酸化触媒の故障診断装置を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供する。
【解決手段】アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、還元触媒の下流側に配置された酸化触媒の故障診断を行うための酸化触媒の故障診断装置であって、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように還元剤の供給量を設定する還元剤供給量演算部と、還元触媒の下流側に流出した所定量のアンモニアが酸化触媒を通過する際に酸化触媒で酸化される効率を求める酸化効率演算部と、酸化効率を所定の基準値と比較して酸化触媒の故障の有無の判定を行う故障判定部と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図４

Description

本発明は、酸化触媒の故障診断装置及び酸化触媒の故障診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置に関する。特に、アンモニアを用いてＮＯ_Xの還元を行う還元触媒の下流側に配置された酸化触媒の故障診断を行う酸化触媒の故障診断装置及び酸化触媒の故障診断方法、並びに内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の内燃機関から排出される排気ガス中には、環境に影響を及ぼすおそれのある窒素酸化物（ＮＯ_X）が含まれている。従来、このＮＯ_Xを浄化するために用いられる排気浄化装置の一態様として、排気通路中に選択還元触媒を配設し、この選択還元触媒中でアンモニアを用いてＮＯ_Xの還元浄化を行うＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムが知られている。このＳＣＲシステムは、アンモニアを生成可能な尿素溶液等の還元剤を選択還元触媒の上流側の排気通路中に供給し、生成されたアンモニアを選択還元触媒に吸着しておき、流入してくる排気ガス中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化するものである。

このＳＣＲシステムに用いられる選択還元触媒におけるアンモニアの飽和吸着量は、触媒温度によって変化する特性を有している。また、この選択還元触媒は、アンモニアの飽和吸着量に対する実際のアンモニアの吸着率が高いほど、ＮＯ_Xの還元効率が高くなる特性を有している。そのため、選択還元触媒の下流側にアンモニアが流出しないように、かつ、飽和吸着量に対する実吸着率ができる限り高くなるように、尿素溶液等の還元剤の供給量の制御が行われている。

しかしながら、コントロールユニットによって指示される還元剤の供給量の誤差や、ＳＣＲシステムの経時劣化等に起因して、生成されたアンモニアの一部が選択還元触媒の下流側に流出する場合がある。アンモニアはＮＯ_Xよりも毒性が高く、還元反応に使用されずに大気中に放出されることはできる限り避けられるべきである。そのため、選択還元触媒の下流側に酸化触媒を配設して、一部のアンモニアが選択還元触媒の下流側に流出した場合に、当該アンモニアを酸化して窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）とに分解して放出するようにしたＳＣＲシステムがある。

ただし、酸化触媒は、熱劣化や経時劣化、ひび割れ等をはじめとする故障によって触媒の効率が低下する場合がある。酸化触媒に故障が生じると、選択還元触媒の下流側に流出したアンモニアを十分に酸化させて分解させることができず、アンモニアが大気中に放出されるおそれがある。
そこで、酸化触媒の劣化判定を行うようにした排気浄化装置が提案されている。具体的には、還元触媒の下流側に配設され、排気中のアンモニアを酸化する酸化触媒と、酸化触媒の排気下流におけるアンモニア濃度を検出する第２の濃度検出手段と、酸化触媒の排気下流におけるアンモニア濃度を推定する第２の濃度推定手段と、を備え、第２の濃度検出手段により検出されたアンモニア濃度と第２の濃度推定手段により推定されたアンモニア濃度との差が第２の所定値以上となったときに、酸化触媒が劣化したと判定する排気浄化装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開２００６−１２５３２３号公報 （請求項４、［００２２］〜［００２７］）

しかしながら、特許文献１に記載された排気浄化装置は、酸化触媒の下流側で実際に検出されたアンモニア濃度と、推定される酸化触媒の下流側のアンモニア濃度との差を第２の所定値と比較して酸化触媒の劣化判定を行うものである。推定及び実際に検出される酸化触媒の下流側のアンモニア濃度は、内燃機関の運転条件によって変動するものであるため、あらかじめ規定された第２の所定値を基準として劣化判定する場合には、診断結果の信頼性が低くなるおそれがある。すなわち、第２の所定値が高く設定されている場合には、還元触媒の下流側へのアンモニアの流出量がある一定以上にならない限り、酸化触媒の劣化判定ができないおそれがある。また、第２の所定値が低く設定されている場合には、運転条件によっては、上記アンモニア濃度の差が第２の所定値以上となった場合であっても、実際には酸化触媒が劣化していない場合も想定される。
したがって、特許文献１に記載された酸化触媒の劣化判定の方法では、劣化判定を行う運転条件が制約されたり、判定結果の信頼性が低くなったりするおそれがある。

そこで、本発明の発明者らは鋭意努力し、選択還元触媒の下流側に備えられた酸化触媒の酸化効率を容易に算出するロジックを備え、酸化効率が低下したか否かによって酸化触媒の故障診断を行うことによりこのような問題を解決できることを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、本発明の目的は、変動する様々な運転条件下においても酸化触媒での酸化効率を容易に算出し、酸化触媒の故障診断を所望の時期に精度よく行なうことができる酸化触媒の故障診断装置及び酸化触媒の故障診断方法、並びにそのような酸化触媒の故障診断装置を備えた内燃機関の排気浄化装置を提供することである。

本発明によれば、アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、還元触媒の下流側に配置された酸化触媒の故障診断を行うための酸化触媒の故障診断装置であって、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように還元剤の供給量を設定する還元剤供給量演算部と、還元触媒の下流側に流出した所定量のアンモニアが酸化触媒を通過する際に酸化触媒で酸化される効率を求める酸化効率演算部と、酸化効率を所定の基準値と比較して酸化触媒の故障の有無の判定を行う故障判定部と、を備えることを特徴とする酸化触媒の故障診断装置が提供され、上述した問題を解決することができる。

また、本発明の酸化触媒の故障診断装置を構成するにあたり、酸化効率は、還元触媒の下流側かつ酸化触媒の上流側に配置された上流側ＮＯ_Xセンサの値と、酸化触媒の下流側に配置された下流側ＮＯ_Xセンサの値と、還元触媒の下流側かつ酸化触媒の上流側における排気中の推定ＮＯ_X量と、をもとに算出されることが好ましい。

また、本発明の酸化触媒の故障診断装置を構成するにあたり、酸化効率は、還元触媒の下流側かつ酸化触媒の上流側における推定ＮＯ_X量及び推定アンモニア量と、酸化触媒の下流側に配置された下流側ＮＯ_Xセンサの値と、をもとに算出されることが好ましい。

また、本発明の酸化触媒の故障診断装置を構成するにあたり、還元触媒に流入する排気中のＮＯ_Xを浄化するために必要な浄化用アンモニア量を演算する浄化用アンモニア量演算部と、還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から現在の推定吸着量を減算して、アンモニアの吸着可能量を算出するアンモニア吸着可能量演算部と、を備え、還元剤供給量演算部は、吸着可能量及び浄化用アンモニア量に対応する還元剤量に所定量加算して還元剤の供給量を設定することが好ましい。

また、本発明の酸化触媒の故障診断装置を構成するにあたり、排気温度を検出する排気温度検出部を備え、排気温度の振幅が所定の範囲内にあり排気温度が安定しているときに酸化触媒の故障診断が行われることが好ましい。

また、本発明の別の態様は、アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、還元触媒の下流側に配置された酸化触媒の故障診断方法であって、所定量のアンモニアが還元触媒の下流側に流出するように還元剤を供給し、所定量のアンモニアが酸化触媒を通過する際に酸化触媒で酸化浄化される浄化効率を所定の基準値と比較して酸化触媒の故障判定を行うことを特徴とする酸化触媒の故障診断方法である。

また、本発明のさらに別の態様は、上述したいずれかの酸化触媒の故障診断装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置である。

本発明の酸化触媒の故障診断装置及び酸化触媒の故障診断方法によれば、ＮＯ_Xセンサがアンモニアにも反応する特性を利用して、還元触媒の下流側に所定量のアンモニアが流出するように還元剤を供給し、還元触媒の下流側に配置された酸化触媒によって酸化されるアンモニアの比率を算出することにより酸化触媒の故障診断を行うようにしたため、内燃機関の運転状態にかかわらず、所望の時期に酸化触媒の故障診断を精度よく行うことができる。また、酸化触媒の酸化効率をもとにして酸化触媒の故障の有無の判定を行うようにしたため、様々な運転条件下においても酸化触媒の故障の有無の判定を精度よく行うことができる。したがって、診断の時期に制約を受けることがなく、酸化触媒の故障診断を精度よく行なうことができる。

また、本発明の内燃機関の排気浄化装置によれば、内燃機関の運転状態及び運転条件にかかわらず所望の時期に酸化触媒の故障の診断が行われる故障診断装置を備えているために、還元触媒の下流側にアンモニアが流出した場合であっても、酸化触媒によって効率的に酸化させて、大気中への放出を防ぐことができる排気浄化装置が提供される。

以下、図面を参照して、本発明の酸化触媒の故障診断装置、故障診断方法及び故障診断装置を備えた排気浄化装置に関する実施の形態について具体的に説明する。ただし、かかる実施形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。
なお、それぞれの図中、同じ符号を付してあるものについては同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。

［第１の実施の形態］
１．排気浄化装置
まず、酸化触媒の故障診断装置が備えられた本発明の第１の実施の形態にかかる排気浄化装置の基本的な構成について図１を参照しつつ説明する。
図１に示す排気浄化装置１０は、還元剤としての尿素水溶液を、排気通路中に配設された還元触媒１３の上流側に噴射供給し、還元触媒１３において排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元浄化する排気浄化装置１０である。この排気浄化装置１０は、内燃機関５に接続された排気管１１の途中に配設され、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元するための還元触媒１３と、還元触媒１３の上流側で排気管１１内に還元剤を噴射供給するための還元剤噴射弁３１を含む還元剤供給装置２０と、還元触媒１３の下流側に配置された酸化触媒１２とを主たる要素として構成されている。
これらの排気浄化装置１０の基本的な構成要素は従来公知のものを使用することができる。

例えば、本実施形態で使用する還元剤供給装置２０は、還元触媒１３の上流側で排気管１１に固定された還元剤噴射弁３１と、還元剤としての尿素水溶液が貯蔵された貯蔵タンク５０と、貯蔵タンク５０内の還元剤を還元剤噴射弁３１に対して圧送するポンプ４１を含むポンプモジュール４０と、排気管１１内に噴射供給する還元剤の供給量を制御するために、還元剤噴射弁３１やポンプ４１の制御を行う制御装置（以下、「ＤＣＵ：Dosing Control Unit」と称する。）６０を備えている。

また、図１に示す排気浄化装置１０の例では、ＤＣＵ６０は、ＣＡＮ６５に接続されている。このＣＡＮ６５には、内燃機関の運転状態を制御するためのコントロールユニット（以下、「ＥＣＵ：Engine Control Unit」と称する場合がある。）７０が接続されており、燃料噴射量や噴射タイミング、回転数等をはじめとする内燃機関の運転状態に関する情報が書き込まれるようになっているだけでなく、排気浄化装置１０に備えられたあらゆるセンサ等の情報も書き込まれるようになっている。そして、ＣＡＮ６５に接続されたＤＣＵ６０は、ＣＡＮ６５上の情報を読み込み、また、ＣＡＮ６５上に情報を出力できるようになっている。
なお、本実施形態では、ＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とが別のコントロールユニットからなり、ＣＡＮ６５を介して情報のやり取りができるようにされているが、これらのＥＣＵ７０とＤＣＵ６０とを一つのコントロールユニットとして構成しても構わない。

また、還元剤噴射弁３１としては、例えば、デューティ制御により開弁のＯＮ−ＯＦＦが制御されるＯＮ−ＯＦＦ弁を使用することができる。ポンプモジュール４０から還元剤噴射弁３１に圧送される還元剤は所定の圧力で維持されるようになっており、ＤＣＵ６０から送られてくる制御信号によって還元剤噴射弁３１が開かれたときに還元剤が排気通路中に供給されるようになっている。

また、ポンプモジュール４０にはポンプ４１が備えられ、貯蔵タンク５０内の還元剤を汲み上げて還元剤噴射弁３１に圧送するようになっている。このポンプ４１は、例えば電動式のダイヤフラムポンプやギアポンプからなり、ＤＣＵ６０から送られてくる信号によってデューティ制御されるようにすることができる。また、ポンプ４１と還元剤噴射弁３１とをつなぐ供給通路５８には圧力センサ４３が備えられており、圧力センサ４３によって検知された値は信号としてＤＣＵ６０に出力され、供給通路５８内の圧力値が所定値に維持されるようにポンプ４１の駆動デューティが制御されるようになっている。すなわち、供給通路５８内の圧力が所定値よりも低下するような状態においては、ポンプ４１の駆動デューティは大きくなるように制御され、供給通路５８内の圧力が所定値よりも上昇するような状態においては、ポンプ４１の駆動デューティは小さくなるように制御される。
なお、「ポンプの駆動デューティ」とは、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御において、１周期当たりに占めるポンプの駆動時間の割合を意味している。

また、供給通路５８からは循環通路５９が分岐して設けられ、貯蔵タンク５０に接続されている。この循環通路５９の途中にはオリフィス４５が備えられるとともに、オリフィス４５よりも貯蔵タンク５０側に圧力制御弁４９が備えられている。このような循環通路５９を備えることにより、圧力センサ４３の検出値をもとにフィードバック制御されるポンプ４１によって還元剤が圧送される状態で、供給通路５８内の圧力値が所定値を超えた場合に圧力制御弁４９が開弁し、還元剤の一部が貯蔵タンク５０内に還流されるようになっている。圧力制御弁４９は、例えば、公知のチェック弁等を使用することができる。

また、ポンプモジュール４０にはリバーティングバルブ７１が備えられ、還元剤供給装置２０が還元剤の供給制御を行わない場合等において、ポンプモジュール４０や還元剤噴射弁３１、供給通路５８を含む還元剤供給系の還元剤が貯蔵タンク５０に回収できるようになっている。したがって、冷寒時等、還元剤が凍結しやすい温度条件下において、内燃機関５を停止させ、還元剤供給装置２０の制御を行わないような場合に、還元剤供給系内での還元剤の凍結が防止され、その後内燃機関の運転を再開したときに、詰まりによる噴射不良がないようにされている。
このリバーティングバルブ７１は、例えば、還元剤の流路を、貯蔵タンク５０からポンプモジュール４０へ向かう順方向から、ポンプモジュール４０から貯蔵タンク５０へ向かう逆方向に切り替える機能を持った切換弁であり、内燃機関のイグニッションスイッチをオフにしたときに、流路を逆方向に切り換えることにより還元剤を貯蔵タンク５０内に回収することができる。

また、還元剤供給装置２０の還元剤供給系の各部位にはそれぞれヒーター９２〜９７が備えられている。これらのヒーター９２〜９７は、冷寒時等において還元剤が還元剤供給系内に存在する場合に、還元剤が凍結して部分的に又は完全に還元剤供給系を塞いでしまい、還元剤噴射弁３１による還元剤の供給制御を正確に行えなくなることを防ぐために備えられている。また、これらのヒーター９２〜９７は、ＤＣＵ６０によって通電制御されるようになっている。例えば、還元剤の温度や外気温度等をもとにして、還元剤供給系で還元剤が凍結を生じるような温度条件下にあると判断されたときに、バッテリーから電力が供給され、加熱されるようになっている。
これらのヒーター９２〜９７についても、特に制限されるものではなく、例えば、電熱線等を使用することができる。

また、排気通路に配設された還元触媒１３は、還元剤供給装置２０によって噴射供給される還元剤が加水分解を生じて生成されるアンモニアを吸着し、流入してくる排気ガス中のＮＯ_Xを還元浄化するようになっている。したがって、吸着されているアンモニア量が不足しているときには、一部のＮＯ_Xが還元されずに還元触媒の下流側に流出することとなるため、還元触媒１３に常に所定量以上のアンモニアが吸着された状態となっているように還元剤の供給量制御が行われるようになっている。
この還元触媒１３は、図２に示すように、触媒温度によってアンモニアの飽和吸着量（実線Ａ）が変化する特性をもっている。アンモニアはＮＯ_Xと比較しても有害性が高いことが知られているため、本実施形態の排気浄化装置では、内燃機関の通常運転状態における還元剤の供給量制御を行うにあたり、アンモニアが還元触媒の下流側に流出しないように、飽和吸着量よりも小さい目標吸着量（破線Ｂ）を設定して、供給量制御を行っている。

ただし、排気ガス温度の急激な変化によって還元触媒１３の温度が急激に上昇した場合など、アンモニアの飽和吸着量が実吸着量付近まで低下した場合には、生成されたアンモニアの一部が還元触媒１３に吸着されずに還元触媒１３の下流側に流出したり、還元触媒１３に吸着されていたアンモニアの一部が脱離して、還元触媒１３の下流側に流出したりするおそれがある。そのため、本実施形態の排気浄化装置１０では、還元触媒１３の下流側に酸化触媒１２が備えられ、還元触媒１３に吸着されずに流出してくるアンモニアが酸化されるようになっている。すなわち、流出したアンモニアは、酸化触媒１２において酸化されて、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）とに分解されて放出される。

また、還元触媒１３と酸化触媒１２との間には第１のＮＯ_Xセンサ１７が備えられ、酸化触媒１２のさらに下流側には第２のＮＯ_Xセンサ１９が備えられている。これらのＮＯ_Xセンサ１７、１９は、ＮＯ_Xだけでなく還元剤の加水分解により生成されるアンモニアにも反応を示すことが知られている。そのため、各ＮＯ_Xセンサ１７、１９によって検出されるセンサ値は、排気ガス中のＮＯ_X濃度とアンモニア濃度との合計値となっている。

ここで、第１のＮＯ_Xセンサ１７と第２のＮＯ_Xセンサ１９との間には酸化触媒１２が配設されており、酸化触媒１２の上流側及び下流側でのＮＯ_X量はほとんど変化がない一方、酸化触媒１２の上流側及び下流側でのアンモニア量は減少することになる。そのため、第１のＮＯ_Xセンサ１７のセンサ値（s1）を積分した値（S1）から第２のＮＯ_Xセンサ１９のセンサ値（s2）を積分した値（S2）を減算すれば、所定期間内に酸化触媒１２で酸化されたアンモニア量（Uo）が算出される。そして、この酸化されたアンモニア量（Uo）を酸化触媒１２の上流側のアンモニア量（Uu）で割ることによって、酸化触媒１２で酸化されたアンモニアの比率を算出できるようになっている。本実施形態の排気浄化装置１０に備えられた酸化触媒の故障診断装置では、この比率が酸化触媒の故障診断に用いられるようになっている。

２．還元剤供給装置の制御装置（酸化触媒の故障診断装置）
（１）基本的構成
図１に示す排気浄化装置１０に備えられたＤＣＵ６０は、基本的には、適切な量の還元剤が排気管１１中に供給されるように、ＣＡＮ６５上に存在する様々な情報をもとにポンプ４１及び還元剤噴射弁３１の動作制御が行われるようになっている。また、本発明の実施の形態におけるＤＣＵ６０は、さらに還元触媒１３の下流側に備えられた酸化触媒１２の故障診断装置としての機能を備えている。

図１では、還元剤噴射弁３１の動作制御及びポンプ４１の駆動制御、さらに酸化触媒１３の故障診断に関する部分について、機能的なブロックで表された構成例が示されている。このＤＣＵ６０は、ＣＡＮ情報取出生成部（図１では「CAN情報取出生成」と表記。）と、ポンプ駆動制御部（図１では「ポンプ駆動制御」と表記。）と、還元剤供給量演算部（図１では「Ud供給量演算」と表記。）と、故障診断部（図１では「故障診断」と表記。）等を主要な構成要素として構成されている。そして、これらの各部は、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプラグラムの実行によって実現されるものである。

このうち、ＣＡＮ情報取出生成部は、ＥＣＵ７０から出力された内燃機関５の運転状態に関する情報や温度センサ及びＮＯ_Xセンサ等から出力されたセンサ値をはじめとして、ＣＡＮ６５上に存在する情報を読み込み、各部に対して出力するようになっている。特に、本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵ６０では、燃料噴射量や燃料噴射タイミング等をはじめとする内燃機関の運転状態に関する情報や、排気浄化装置１０に備えられた各センサのセンサ値等が、ＣＡＮ情報取出生成部を介して他の各部に対して送信されるようになっている。

また、ポンプ駆動制御部は、ＣＡＮ情報取出生成部から出力される、供給経路５８内の還元剤の圧力を示す圧力センサ４３のセンサ値を継続的に読み込み、このセンサ値をもとにポンプ４１をフィードバック制御し、供給経路５８内の圧力がほぼ一定の状態に維持されるようになっている。例えば、ポンプ４１が電動式のポンプである場合には、出力される圧力値が目標値よりも低い場合には、圧力を上昇させるべく、ポンプのデューティ比が大きくなるように制御され、逆に、出力される圧力値が目標値を超える場合には、圧力を低下させるべく、ポンプのデューティ比が小さくなるように制御される。

還元剤供給量演算部は、例えば、通常の還元剤の供給量制御においては、還元触媒の温度に対応する目標吸着量から実際に吸着されているアンモニアの推定吸着量を減算し、その不足量分のアンモニアが生成されるように還元剤の供給量を決定し、還元剤噴射弁３１を操作するための還元剤噴射弁操作装置（図１では「Udv操作装置」と表記）６７に対して操作信号を出力するように構成されている。
一方、酸化触媒の故障診断を行う際には、後述する浄化用アンモニア量演算部及びアンモニア吸着可能量演算部で算出される浄化用アンモニア量とアンモニア吸着可能量とを加算した合計アンモニア量が生成されるために必要な還元剤量を求めるとともに、さらに所定量を加算して還元剤の供給量が決定される。すなわち、酸化触媒におけるアンモニアの酸化効率を検証するために、一部のアンモニアを還元触媒の下流側に流出させるように還元剤の供給量が設定されるようになっている。

（２）還元剤供給制御
図１に示す排気浄化装置１０による排気ガス中のＮＯ_Xの還元浄化は以下のように行われる。
内燃機関の運転時において、貯蔵タンク５０内の還元剤は、ポンプ４１によって汲み上げられ、還元剤噴射弁３１に向けて圧送される。このとき、ポンプモジュール４０に備えられたポンプ４１の下流側の圧力センサ４３のセンサ値をフィードバックし、センサ値が所定値未満の場合にはポンプ４１の出力を高める一方、圧力値が所定値を超える場合には圧力制御弁４９によって減圧される。これによって、還元剤噴射弁３１に向けて圧送される還元剤の圧力がほぼ一定の値に維持されるように制御される。

還元剤がほぼ一定の圧力で供給された状態で、ＤＣＵ６０は、還元触媒１３の温度に対応する目標吸着量と推定吸着量とを比較し、不足している量のアンモニアが生成されるために必要な還元剤の供給量を決定し、それに応じた制御信号を生成して還元剤噴射弁操作装置６７に対して出力する。そして、還元剤噴射弁操作装置６７によって還元剤噴射弁３１のデューティ制御が行われ、適切な量の還元剤が排気管１１中に供給される。排気管１１中に供給された還元剤は、排気ガスに混合された状態で還元触媒１３に流入し、排気ガス中に含まれるＮＯ_Xの還元反応に用いられる。このようにして、排気ガスの浄化が行われるものである。

（３）酸化触媒の故障診断部
ここで、本実施形態の排気浄化装置１０に備えられたＤＵＣ６０には、酸化触媒１２の故障診断部が備えられている。上述したように、酸化触媒１２は、比較的毒性の高いアンモニアを酸化する重要な役割を担っているため、酸化触媒１２に故障のおそれがある場合には速やかに交換し、アンモニアを大気中に放出させないようにするためである。
図３は、ＤＣＵ６０の構成のうちの酸化触媒の故障診断部の構成をさらに詳細に表している。この故障診断部は、浄化用アンモニア量演算部（「浄化必要量演算」と表記。）と、アンモニア吸着可能量演算部（「吸着可能量演算」と表記。）と、還元剤供給量演算部（「Ud供給量演算」と表記。）と、排気温度推移監視部（「温度推移監視」と表記。）と、酸化効率演算部（「酸化効率演算」と表記。）と、故障判定部（「故障判定」と表記。）等を主要な要素として構成されている。これらの各部についても、具体的にはマイクロコンピュータ（図示せず）によるプログラムの実行によって実現されるものである。

このうち、浄化用アンモニア量演算部では、還元触媒に流入するＮＯ_X量をもとにして、還元触媒でこれらのＮＯ_Xを還元浄化するために必要なアンモニア量（m0）が算出される。本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵでは、還元触媒に流入するＮＯ_X量は内燃機関の運転状態や排気温度等の情報をもとにして算出されるようになっているが、還元触媒１３の上流側にもＮＯ_Xセンサを配置して、検出されるセンサ値をもとにして算出するようにすることもできる。

また、アンモニア吸着可能量演算部では、還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から、還元触媒に現在吸着されている推定吸着量を減算し、さらに吸着可能なアンモニア量が算出される。具体的には、図２に示すように、還元触媒の飽和吸着量は触媒温度が上昇するにつれて減少する関係にあるため、アンモニア吸着可能量演算部にあらかじめ飽和吸着量マップを備えておく一方、演算によって求められる触媒温度をもとにして、触媒温度に対応する飽和吸着量が求められるようになっている。また、アンモニアの推定吸着量は、これまで行われていた還元剤の噴射制御における目標吸着量から、ＮＯ_Xを還元浄化するために必要なアンモニア量（m0）を減算した値を積分することによって求めることができる。

また、還元剤供給量演算部では、酸化触媒の故障診断を行う際に、浄化用アンモニア量にアンモニア吸着可能量を加算し、合計アンモニア量が生成されるだけの還元剤量を算出するとともに、さらに所定量を加算して、還元剤の供給量が算出されるようになっている。この還元剤供給量演算部は、通常運転状態での還元剤供給量の制御を行うための還元剤供給量演算部と共通の部分であり、酸化触媒の故障診断を行う場合には、上述のように還元剤供給量の演算が行われる。

また、本実施形態の排気浄化装置１０に備えられたＤＣＵ６０には排気温度推移監視部が備えられており、ＣＡＮ情報取出生成部から送られてくる温度センサ１５のセンサ値（排気温度）の推移を監視して、排気温度の振幅が所定の範囲内にある状態が所定時間以上継続したか否かを判別するようになっている。これは、酸化触媒の故障診断を行うにあたり、排気温度が不安定な状態では、酸化触媒や還元触媒の効率が変化したり、流出させるアンモニア量に誤差が生じたりして、診断結果の信頼性が低下する場合があるためである。
したがって、上述の還元剤供給量演算部で供給指示量が算出された場合であっても、排気温度推移監視部において、排気温度が安定していると判別されないときには、実際に故障診断が開始されることがないようになっている。

また、酸化効率演算部では、故障診断用に還元剤を供給し、所定量のアンモニアを還元触媒下流側に流出させた後、酸化触媒によるアンモニアの酸化効率が算出される。本実施形態の酸化効率演算部におけるアンモニアの酸化効率の算出は以下のように行われる。
酸化触媒でのアンモニアの酸化効率（X）は、酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）に対する酸化触媒で酸化されたアンモニア量（Uo）の比率であり、
X＝Uo／Uu …（１）
と表すことができる。

ここで、酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）は、第１のＮＯ_Xセンサのセンサ値（s1）を積分した値（S1）から酸化触媒上流側のＮＯ_X量（Nu）を差し引いた値であり、
Uu＝S1−Nu …（２）
と表すことができる。
この酸化触媒上流側のＮＯ_X量（Nu）は、排気ガスの温度や流量、還元触媒上流側でのＮＯ_Xの流量、還元触媒上流側でのＮＯ₂とＮＯとの比率、アンモニア推定吸着量、還元触媒の推定ＨＣ（炭化水素）被毒量等をもとにした推定還元触媒効率（ηEst）と、還元触媒上流側のＮＯ_X量（N₀）とを用いて、
Nu＝N₀−ηEst×N₀ …（３）
と表すことができる。

また、上述のように、酸化触媒１２で酸化されたアンモニア量（Uo）は、第１のＮＯ_Xセンサのセンサ値（s1）を積分した値（S1）から第２のＮＯ_Xセンサのセンサ値（s2）を積分した値（S2）を減算することで求めることができる。したがって、酸化触媒１２で酸化されたアンモニア量（Uo）は、
Uo＝S1−S2 …（４）
と表すことができる。

式（２）及び式（４）を上記式（１）に代入すると、酸化触媒でのアンモニアの酸化効率（X）は、
X=（S1−S2）／（S1−Nu） …（５）
と表すことができる。
この式（５）に示すように、本実施形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵの酸化効率演算部では、第１及び第２のＮＯ_Xセンサのセンサ値と、推定される酸化触媒上流側のＮＯ_X量とをもとにして、酸化触媒におけるアンモニアの酸化効率が算出されるように構成されている。

そして、故障判定部では、酸化効率演算部で算出されたアンモニアの酸化効率の値を所定の基準値と比較し、基準値未満となっているときに酸化触媒が故障していると判定するようになっている。このように、酸化されたアンモニアの絶対量ではなく、酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）に対する、酸化されたアンモニア量（Uo）の比率に基づいて酸化触媒の故障判定を行うことにより、内燃機関の運転状態にかかわらず、酸化触媒の故障診断を精度よく行うことができる。
すなわち、規定量のアンモニアを還元触媒下流側に流出させる前提で、酸化されたアンモニアの絶対量を求めて故障診断を行おうとすると、内燃機関の運転状態や還元触媒温度に変化があった場合に、そもそも還元触媒下流側に流出したアンモニア量に誤差が生まれ、酸化触媒が故障していないにもかかわらず酸化されたアンモニア量が減ってしまう場合がある。これに対し、酸化されたアンモニアの比率を求めて故障診断を行うことにより、還元触媒下流側に流出するアンモニア量がその診断毎に異なる場合であっても、診断結果に大きく影響を与えることがないようになっている。

３．酸化触媒の故障診断方法
次に、酸化触媒の故障診断方法の具体的なルーチンの一例を図４のフローを参照しつつ説明する。なお、このルーチンは、常時実行されるようにしてもよく、あるいは一定時間ごとの割り込みによって実行されるようにしてもよい。

まず、ステップＳ１０において、排気温度が安定しているか否かの判別を行う。本実施形態の排気浄化装置の場合、還元触媒の上流側に温度センサ（図１の符号１５）が備えられており、センサ値の推移を監視して、振幅幅が所定の範囲内にある状態が所定時間以上経過したか否かを見ることにより判別が行われる。温度センサを備えていない場合には、内燃機関の運転状態から推定される排気温度を用いても構わない。
排気温度が安定していると判別されるまで、このステップＳ１０が繰り返し行われる。

次いで、ステップＳ１１において浄化用アンモニア量を算出する。具体的には、内燃機関の運転状態や排気温度等を読み込み、還元触媒に流入するＮＯ_Xの流量を求め、このＮＯ_Xを還元させるために必要な浄化用アンモニア量を算出する。
次いで、ステップＳ１２においてアンモニア吸着可能量を算出する。具体的には、還元触媒の上流側及び下流側に配置された温度センサのセンサ値をもとに、還元触媒の温度を演算によって求めた後、還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から推定吸着量を差し引き、アンモニア吸着可能量を算出する。

次いで、ステップＳ１３において、ステップＳ１０で求めた浄化用アンモニア量とステップＳ１１で求めたアンモニア吸着可能量とを加算し、その合計量のアンモニアが生成されるために必要な還元剤量を算出する。
次いで、ステップＳ１４において、ステップＳ１２で算出された還元剤量にさらに所定量加算して還元剤の供給指示値を決定した後、ステップＳ１５において、還元剤噴射弁の操作装置に対して還元剤の供給の指示を行う。これによって、供給される還元剤から生成されるアンモニアの一部が、還元触媒の下流側に流出する状態になる。

このとき、基本的には、加算された還元剤に相当するアンモニアが還元触媒の下流側に流出することになるが、酸化触媒の下流側に流出し、大気中に放出されるアンモニアの濃度が排気ガス規制によって規定される基準値以下となるように、加算する還元剤の量を設定することが好ましい。具体的には、過去に行われた故障診断時に得られた酸化触媒の酸化効率を考慮して、酸化触媒の下流側に流出するアンモニアの濃度が排気ガス規制の基準値以下となるように逆算を行い、当該アンモニアの量に相当する還元剤の量を加算量として決定するように構成することができる。
例えば、排気ガス規制のアンモニア濃度の基準値が２５ｐｐｍである場合に、酸化触媒でアンモニアが酸化される効率が２０％であれば３１ｐｐｍ、アンモニアが酸化される効率が８０％であれば１００ｐｐｍを上限として、この上限以下の濃度のアンモニアを還元触媒の下流側に流出させるように、加算する還元剤量を決定する。

次いで、ステップＳ１６において、酸化触媒上流側の第１のＮＯ_Xセンサ値（s1）を読み込み積分を行うとともに、酸化触媒下流側の第２のＮＯ_Xセンサのセンサ値（s2）を読み込み積分を行う。また、同時に、内燃機関から排出される排気ガスの流量、温度、ＮＯ_X濃度や、還元触媒の温度等をもとにして、還元触媒におけるＮＯ_Xの推定還元効率を求めつつ、酸化触媒上流側におけるＮＯ_X量の推定量（Nu）を算出する。

次いで、ステップＳ１７において、第１のＮＯ_Xセンサのセンサ値（s1）を積分した値（S1）、第２のＮＯ_Xセンサのセンサ値（s2）を積分した値（S2）及び還元触媒下流側におけるＮＯ_X量の推定量（Nu）をもとにして、酸化触媒におけるアンモニアの酸化効率（X）を算出する。具体的には、上述したように、X＝（S1−S2）／（S1−Nu）の関係式に基づいて算出することができる。

次いで、ステップＳ１８において、算出された酸化効率（X）があらかじめ規定された基準値（X0）以上となっているか否かの判別を行う。酸化効率が基準値（X0）以上となっていれば、酸化触媒は大きな故障なく機能しているものと考えられ、酸化触媒の故障がないものと判定される。一方、酸化効率が基準値（X0）未満となっていれば、酸化触媒が故障しており、アンモニアを酸化させる機能が低下しているものと考えられ、酸化触媒が故障しているものと判定される。

なお、説明した酸化触媒の故障診断のフローによれば、浄化用アンモニア量及びアンモニア吸着可能量を求めた後に、還元剤の供給指示量を算出するようになっているが、例えば、運転者がアクセルを離した状態においては新たに還元触媒に流入するＮＯ_X量は限りなく少なく、浄化用アンモニア量がほぼゼロとなる。また、還元触媒に吸着されたアンモニア量が飽和状態となっている状態においては、アンモニア吸着可能量がゼロとなる。
したがって、運転者がアクセルを離した状態や、還元触媒のアンモニア吸着飽和状態を検知できるように構成し、浄化用アンモニア量及びアンモニア吸着可能量のうちの少なくとも一方を算出するステップを省略するようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態にかかる酸化触媒の故障診断装置を備えた排気浄化装置について説明する。第１の実施の形態の排気浄化装置が、酸化触媒の上流側及び下流側のそれぞれにＮＯ_Xセンサを備えているのに対し、本実施形態の排気浄化装置は、酸化触媒上流側のＮＯ_Xセンサを備えていない点で、第１の実施の形態の排気浄化装置とは異なっている。
以下、第１の実施の形態と共通する点については説明を省略し、異なる点を中心に説明する。

図５に示すように、本実施形態の排気浄化装置１１０は、酸化触媒１２の下流側にＮＯ_Xセンサ１１７が備えられる一方、酸化触媒１２の上流側にはＮＯ_Xセンサが備えられていない。その代わりに、ＤＣＵ１６０には、酸化触媒下流側のアンモニア量を推定する演算部（図５では「Uu演算」と表記。）が備えられている。すなわち、本実施形態の排気浄化装置１１０は、ＮＯ_Xセンサのセンサ値ではなく、演算値を用いて、酸化触媒上流側のアンモニア量を求めるように構成されている。

本実施形態の排気浄化装置１１０に備えられたＤＣＵ１６０の酸化効率演算部では、以下のように酸化触媒におけるアンモニアの酸化効率が算出される。
第１の実施の形態で述べたとおり、アンモニアの酸化効率（X）は、酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）に対する酸化触媒で酸化されたアンモニア量（Uo）の比率であり、
X＝Uo／Uu …（１）
と表すことができる。

ここで、本実施形態では、酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）はＤＣＵ１６０で演算により求められる。
また、酸化触媒下流側のＮＯ_Xセンサ１１７のセンサ値が、ＮＯ_X濃度とアンモニア濃度との合計値であることを考慮すると、酸化触媒で酸化されたアンモニア量（Uo）は、酸化触媒上流側のＮＯ_X量（Nu）と酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）との合計量から、ＮＯ_Xセンサ１１７のセンサ値（s3）を積分した値（S3）を差し引くことにより求めることができる。酸化触媒上流側のＮＯ_X量（Nu）及び酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）はそれぞれ演算により推定量として求められるため、酸化触媒で酸化されたアンモニア量（Uo）は、
Uo＝（Nu＋Uu）−S3 …（６）
と表すことができる。

式（６）を上記式（１）に代入すると、酸化触媒でのアンモニアの酸化効率（X）は、
X＝｛（Nu＋Uu）−S3｝／Uu …（７）
と表すことができる。
この式（７）に示すように、本実施形態の排気浄化装置１１０に備えられたＤＣＵ１６０の酸化効率演算部では、ＮＯ_Xセンサのセンサ値と、推定される酸化触媒上流側のＮＯ_X量及びアンモニア量とをもとにして、酸化触媒におけるアンモニアの酸化効率が算出されるようになっている。

そして、第１の実施の形態と同様に、故障判定部において、酸化効率演算部で算出されたアンモニアの酸化効率の値を所定の基準値と比較し、基準値未満となっているときに酸化触媒が故障していると判定するようになっている。このように酸化触媒上流側のＮＯ_Xセンサを備えていない場合であっても、内燃機関の運転状態にかかわらず、酸化触媒上流側のアンモニア量（Uu）に対する、酸化されたアンモニア量（Uo）の比率に基づいて酸化触媒の故障診断を行うことができる。

本発明の第１の実施の形態にかかる排気浄化装置の構成例を示す図である。 還元触媒の飽和吸着量及び目標吸着量について説明するための図である。 第１の実施の形態の排気浄化装置に備えられたＤＣＵの構成例を示すブロック図である。 第１の実施の形態の排気浄化装置によって行われる酸化触媒の故障診断のフローを示す図である。 本発明の第２の実施の形態にかかる排気浄化装置の構成例を示す図である。

符号の説明

１０：排気浄化装置、１１：排気管、１２：酸化触媒、１３：還元触媒、１５・１６：温度センサ、１７：第１のＮＯ_Xセンサ、１９：第２のＮＯ_Xセンサ、２０：還元剤供給装置、３１：還元剤噴射弁、４０：ポンプモジュール、４１：ポンプ、４３：圧力センサ、４５：オリフィス、４７：メインフィルタ、４９：圧力制御弁、５０：貯蔵タンク、５８：供給通路、５９：循環経路、６０：還元剤供給装置制御装置（ＤＣＵ）、７１：リバーティングバルブ、９２・９３・９４・９５・９６・９７：ヒーター、１１０：排気浄化装置、１１７：ＮＯ_Xセンサ、１６０：ＤＣＵ

Claims (7)

1. アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、前記還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、前記還元触媒の下流側に配置された酸化触媒の故障診断を行うための酸化触媒の故障診断装置において、
   所定量の前記アンモニアが前記還元触媒の下流側に流出するように前記還元剤の供給量を設定する還元剤供給量演算部と、
   前記還元触媒の下流側に流出した前記所定量のアンモニアが前記酸化触媒を通過する際に前記酸化触媒で酸化される効率を求める酸化効率演算部と、
   前記酸化効率を所定の基準値と比較して前記酸化触媒の故障の有無の判定を行う故障判定部と、
   を備えることを特徴とする酸化触媒の故障診断装置。
2. 前記酸化効率は、前記還元触媒の下流側かつ前記酸化触媒の上流側に配置された上流側ＮＯ_Xセンサの値と、前記酸化触媒の下流側に配置された下流側ＮＯ_Xセンサの値と、前記還元触媒の下流側かつ前記酸化触媒の上流側における前記排気中の推定ＮＯ_X量と、をもとに算出されることを特徴とする請求項１に記載の酸化触媒の故障診断装置。
3. 前記酸化効率は、前記還元触媒の下流側かつ前記酸化触媒の上流側における推定ＮＯ_X量及び推定アンモニア量と、前記酸化触媒の下流側に配置された下流側ＮＯ_Xセンサの値と、をもとに算出されることを特徴とする請求項１に記載の酸化触媒の故障診断装置。
4. 前記還元触媒に流入する前記排気中のＮＯ_Xを浄化するために必要な浄化用アンモニア量を演算する浄化用アンモニア量演算部と、
   前記還元触媒の温度に応じた飽和吸着量から現在の推定吸着量を減算して、前記アンモニアの吸着可能量を算出するアンモニア吸着可能量演算部と、を備え、
   前記還元剤供給量演算部は、前記吸着可能量及び前記浄化用アンモニア量に対応する還元剤量に所定量加算して前記還元剤の供給量を設定することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の酸化触媒の故障診断装置。
5. 排気温度を検出する排気温度検出部を備え、
   前記排気温度の振幅が所定の範囲内にあり前記排気温度が安定しているときに前記酸化触媒の故障診断が行われることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の酸化触媒の故障診断装置。
6. アンモニアを生成可能な還元剤を還元触媒の上流側の排気通路に供給し、前記還元触媒で排気中のＮＯ_Xを選択的に還元浄化する内燃機関の排気浄化装置における、前記還元触媒の下流側に配置された酸化触媒の故障診断方法において、
   所定量の前記アンモニアが前記還元触媒の下流側に流出するように前記還元剤を供給し、
   前記所定量のアンモニアが前記酸化触媒を通過する際に前記酸化触媒で酸化浄化される浄化効率を所定の基準値と比較して前記酸化触媒の故障判定を行うことを特徴とする酸化触媒の故障診断方法。
7. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の酸化触媒の故障診断装置を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。

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