JP2012255397A - 選択還元触媒の劣化診断装置及び排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】選択還元触媒の劣化状態を精度良く判定できるようにした選択還元触媒の劣化診断装置、及びそのような劣化診断装置を備えた排気浄化装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に備えられて還元剤を吸着するとともに排気中のＮＯ_Xを前記還元剤を用いて選択的に還元する選択還元触媒と、前記選択還元触媒よりも上流側で前記排気通路内に前記還元剤を噴射する還元剤供給装置と、を備えた排気浄化装置における前記選択還元触媒の劣化状態を診断するための選択還元触媒の劣化診断装置において、前記選択還元触媒よりも上流側のＮＯ_X量を求める上流側ＮＯ_X量検出手段と、前記選択還元触媒よりも下流側のＮＯ_X量を求める下流側ＮＯ_X量検出手段と、前記還元剤の噴射を停止してから前記上流側のＮＯ_X量と前記下流側のＮＯ_X量とが等しくなるまでの前記還元剤の消費量に基づいて前記選択還元触媒の劣化状態を判定する判定手段と、を備える。
【選択図】図４

Description

本発明は、還元剤を吸着するとともに排気中の窒素酸化物（ＮＯ_X）を還元剤を用いて選択的に還元する選択還元触媒を備えた排気浄化装置における、選択還元触媒の劣化状態を診断するための選択還元触媒の劣化診断装置、及びそのような劣化診断装置を備えた排気浄化装置に関する。

従来、車両等に搭載される内燃機関から排出される排気を浄化するための排気浄化装置として、還元剤を吸着する機能を有するとともに、流入する排気中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元剤と反応させて浄化する選択還元触媒を備えた排気浄化装置が実用化されている。

このような排気浄化装置に用いられる選択還元触媒は硫黄被毒や高熱等によって劣化する場合がある。選択還元触媒の劣化が生じると、還元剤の最大吸着量が減少してＮＯ_Xの浄化効率の低下をもたらすおそれがある。そのため、選択還元触媒のＮＯ_X浄化率を判定するようにした装置が提案されている。

具体的には、選択還元触媒に流入するＮＯ_X中のＮＯ₂の割合が、その時点でのＮＯ_X浄化率が最大となる割合となっている状態において、選択還元触媒よりも上流側での入ＮＯ_X量と選択還元触媒よりも下流側での出ＮＯ_X量との差を入ＮＯ_X量で割ることによってＮＯ_X浄化率を判定するようにした排気浄化装置の故障検出装置が開示されている（特許文献１を参照）。

特開２０１０−２７０６１４号公報 （段落［００４５］〜［００５７］）

しかしながら、選択還元触媒は、図２（ａ）に示すように、触媒温度が高温になるにつれてＮＯ_X浄化率が高くなる性質を有しており、所定温度以上の状態では、ＮＯ_X浄化率の差が現れにくくなっている。特許文献１に記載された故障検出装置では、診断時点の選択還元触媒の状態においてＮＯ_X浄化率が最大となるＮＯ₂の比率を選択してＮＯ_X浄化率を判定するようにしてはいるものの、触媒温度が高温の状態ではＮＯ_X浄化率に差が生じにくくなる。また、特許文献１に記載された故障検出装置は、ＮＯ_X浄化率を判定するものであり、必ずしも選択還元触媒の劣化状態に対応していないために、選択還元触媒の交換時期等を正確に知ることができないおそれがある。

本発明の発明者らはこのような問題にかんがみて、還元剤の噴射を停止してから、選択還元触媒よりも上流側のＮＯ_X量と下流側のＮＯ_X量とが等しくなるまでの還元剤の消費量に基づいて選択還元触媒の劣化状態を判定する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、本発明は、選択還元触媒の劣化状態を精度良く判定できるようにした選択還元触媒の劣化診断装置、及びそのような劣化診断装置を備えた排気浄化装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、内燃機関の排気通路に備えられて還元剤を吸着するとともに排気中のＮＯ_Xを前記還元剤を用いて選択的に還元する選択還元触媒と、前記選択還元触媒よりも上流側で前記排気通路内に前記還元剤を噴射する還元剤供給装置と、を備えた排気浄化装置における前記選択還元触媒の劣化状態を診断するための選択還元触媒の劣化診断装置において、前記選択還元触媒よりも上流側のＮＯ_X量を求める上流側ＮＯ_X量検出手段と、前記選択還元触媒よりも下流側のＮＯ_X量を求める下流側ＮＯ_X量検出手段と、前記還元剤の噴射を停止してから前記上流側のＮＯ_X量と前記下流側のＮＯ_X量とが等しくなるまでの前記還元剤の消費量に基づいて前記選択還元触媒の劣化状態を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする選択還元触媒の劣化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。

すなわち、本発明の選択還元触媒の劣化診断装置は、還元剤の噴射を停止してから、選択還元触媒よりも上流側のＮＯ_X量と下流側のＮＯ_X量とが等しくなるまでの還元剤の消費量に基づいて選択還元触媒の劣化状態を判定することとしている。したがって、選択還元触媒における最大吸着量の減少度合を把握することができるようになって、選択還元触媒の劣化状態を精度良く診断することを可能にすることができる。

なお、本明細書において、「還元剤」の文言は、直接ＮＯ_Xと反応する成分だけでなく、その前駆体を指す場合もある。

また、本発明の選択還元触媒の劣化診断装置において、前記判定手段は、前記還元剤の噴射を停止したときの前記選択還元触媒における還元剤の推定吸着量と、前記上流側のＮＯ_X量と前記下流側のＮＯ_X量とが等しくなったときの前記推定吸着量と、に基づいて前記還元剤の消費量を求めることが好ましい。

還元剤の消費量をこのように求めることとすれば、上流側のＮＯ_X量と下流側のＮＯ_X量とが等しくなるまでの還元剤の消費量を正確に推定することができ、選択還元触媒の劣化状態を精度良く診断することができるようになる。

また、本発明の選択還元触媒の劣化診断装置において、前記判定手段は、前記還元剤の噴射を停止したときの前記選択還元触媒における還元剤の推定吸着量に対する前記還元剤の消費量の割合に基づいて、前記選択還元触媒の劣化度合いを判定することが好ましい。

このように、選択還元触媒の劣化度合いを求めることとすれば、選択還元触媒の劣化状態をより正確に把握することができる。

また、本発明の選択還元触媒の劣化診断装置において、前記排気浄化装置は、前記排気通路に備えられて排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備えており、前記判定手段は、前記パティキュレートフィルタの再生制御の開始前に前記還元剤の噴射を停止したときに前記判定を行うことが好ましい。

このように、パティキュレートフィルタの再生制御の開始前に還元剤の噴射を停止する時期を利用して判定を行うこととすれば、選択還元触媒の劣化診断を実行するために特別な介入操作を不要とすることができる。また、このような時期を利用して選択還元触媒の劣化診断を実行することとすれば、パティキュレートフィルタの再生制御のたびに診断の機会が得られるため、特別な介入操作をすることなく診断頻度を高く維持することができる。

また、本発明の選択還元触媒の劣化診断装置において、前記判定手段は、前記還元剤の消費量が前記還元剤の噴射を停止したときの前記選択還元触媒における還元剤の推定吸着量よりも小さい場合には前記還元剤の噴射量を増量補正させて前記判定を繰り返し行い、前記還元剤の消費量と前記推定吸着量とのずれが解消されない場合に前記選択還元触媒の劣化異常と判定することが好ましい。

このように、還元剤の噴射量を増量補正させたにもかかわらず、還元剤の消費量と推定吸着量とのずれが解消されない場合に選択還元触媒の劣化異常と判定することとすれば、還元剤供給装置の異常や噴射量のずれが生じているにもかかわらず、選択還元触媒の劣化異常と判定するおそれを低減することができる。

また、本発明の別の態様は、上述したいずれかの選択還元触媒の劣化診断装置を備えた排気浄化装置である。

すなわち、本発明にかかる排気浄化装置は、選択還元触媒の劣化異常を精度良く判定することができる劣化診断装置を備えているために、選択還元触媒の劣化異常の発生を正確に特定することができ、選択還元触媒の交換のみで対応することができるようになるため、余分な修理費用を減らすことができる。

本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置が備えられる内燃機関の排気浄化装置を説明するために示す図である。 選択還元触媒の特性を説明するために示す図である。 本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置の構成を説明するために示すブロック図である。 選択還元触媒の劣化診断方法を概略的に説明するために示す図である。 本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置によって実行される選択還元触媒の劣化診断方法の一例を説明するために示すフローチャート図である。 選択還元触媒の劣化度合いを判定する方法の一例を説明するために示すフローチャート図である。 還元剤供給装置の状態を確認する方法の一例を示すフローチャート図である。

以下、本発明にかかる選択還元触媒の劣化診断装置及び排気浄化装置に関する実施の形態について、図面に基づいて具体的に説明する。
なお、それぞれの図中において同じ符号が付されているものは、特に説明がない限り同一の構成要素を示しており、適宜説明が省略されている。

図１は、本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置が備えられる内燃機関の排気浄化装置を説明するために示す図である。図２は、選択還元触媒の特性を説明するために示す図である。図３は、本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置の構成を説明するために示すブロック図である。図４は、選択還元触媒の劣化診断方法を概略的に説明するために示す図である。図５及び図６は、本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置によって実行される選択還元触媒の劣化診断方法を説明するために示すフローチャート図である。

１．排気浄化装置の全体的構成
図１において、内燃機関１は、代表的にはディーゼルエンジンであって、複数の燃料噴射弁５を備えるとともに、排気を流通させる排気管３が接続されている。燃料噴射弁５は電子制御装置３０によって通電制御されるものであり、電子制御装置３０は、機関回転数やアクセル操作量、その他の情報に基づいて燃料噴射量を演算するとともに、算出された燃料噴射量に基づいて燃料噴射弁５の通電時期及び通電時間を求めて、燃料噴射弁５の通電制御を実行するようになっている。

内燃機関１に接続された排気管３には排気浄化装置１０が設けられている。排気浄化装置１０は、排気管３の上流側から順に備えられた酸化触媒１１とパティキュレートフィルタ１２と選択還元触媒１３とを有している。また、排気浄化装置１０は、パティキュレートフィルタ１２の上流側の圧力と下流側の圧力との差を検出するための差圧センサ１５を備えるとともに、選択還元触媒１３の下流側には下流側ＮＯ_X濃度センサ１７を備えている。これらのセンサのセンサ信号は電子制御装置３０に入力されるようになっている。

酸化触媒１１は、活性状態においては排気中に含まれるＨＣやＣＯを酸化（燃焼）する機能を有する触媒である。この酸化触媒１１は、主に、パティキュレートフィルタ１２の再生制御時において酸化熱を発生させて排気温度を上昇させるために用いられる。使用することができる酸化触媒１１は、公知のディーゼル酸化触媒であれば得に限定されるものではない。

パティキュレートフィルタ１２は、内燃機関１から排出される排気中に含まれる煤等の微粒子（以下、「ＰＭ（Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ）」と称する。）を捕集する機能を有するフィルタである。パティキュレートフィルタ１２は、代表的にはハニカム構造を有するフィルタが用いられるが、このようなフィルタに限定されない。

選択還元触媒１３は、ポンプ２１及び還元剤噴射弁２３を有する還元剤供給装置２０によって供給される還元剤を用いて、排気中に含まれるＮＯ_Xを選択的に還元する触媒である。本実施の形態において、還元剤供給装置２０から供給される還元剤は液体の還元剤である尿素水溶液であり、この尿素水溶液が分解して生成されるアンモニアが選択還元触媒１３に吸着して、ＮＯ_Xと直接反応する還元剤として機能する。ただし、これ以外の還元剤を用いることもできる。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本実施の形態において使用される選択還元触媒１３のＮＯ_X浄化率及び最大吸着量と温度との関係を示している。図２（ａ）に示すように、選択還元触媒１３は、触媒温度の上昇に伴ってＮＯ_X浄化率が上昇する特性を有している。一方、図２（ｂ）に示すように、選択還元触媒１３は、触媒温度の上昇に伴って最大吸着量が減少する特性を有している。

差圧センサ１５は、パティキュレートフィルタ１５の上流側と下流側との間の差圧を検出するために用いられる。差圧センサ１５によって検出される差圧の情報は、パティキュレートフィルタ１２の再生時期の判定に用いられる。

下流側ＮＯ_X濃度センサ１７は、選択還元触媒１３よりも下流側におけるＮＯ_X濃度を検出するために用いられる。下流側ＮＯ_X濃度センサ１７によって検出される下流側ＮＯ_X濃度の情報は、主として液体還元剤の噴射量の補正に用いられるが、本実施の形態にかかる劣化診断装置においては、下流側ＮＯ_X濃度が選択還元触媒１３の劣化診断にも用いられるようになっている。

２．電子制御装置（選択還元触媒の劣化診断装置）
（１）装置の構成
図３は、電子制御装置３０の構成のうち、選択還元触媒１３の劣化診断に関連する部分を機能的なブロックで表したものである。この電子制御装置３０が選択還元触媒の劣化診断装置としての機能を有している。

電子制御装置３０は、公知のマイクロコンピュータを中心に構成されたものであり、上流側ＮＯ_X流量演算手段３１と、下流側ＮＯ_X濃度検出手段３３と、下流側ＮＯ_X流量演算手段３５と、還元剤噴射制御手段３７と、還元剤消費量演算手段３９と、再生制御手段４１と、判定手段４３とを備えている。具体的に、これらの各手段は、マイクロコンピュータによるプログラムの実行によって実現されるものとなっている。

また、図示しないものの、電子制御装置３０には、ＲＡＭやＲＯＭ等の記憶素子からなる記憶手段、及び、燃料噴射弁５やポンプ２１、還元剤噴射弁２５等への通電を行うための駆動回路が備えられている。記憶手段には、制御プログラム及び種々の演算マップがあらかじめ記憶されるとともに、上記した各手段による演算結果等が書き込まれるようになっている。

上流側ＮＯ_X流量演算手段３１は、燃料噴射量やその他の内燃機関１の運転条件に基づいて、選択還元触媒１３よりも上流側における上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕを演算により推定するように構成されている。また、下流側ＮＯ_X濃度検出手段３３は、下流側ＮＯ_X濃度センサ１７のセンサ信号に基づいて選択還元触媒１３よりも下流側における下流側ＮＯ_X濃度Ｎｄを検出するように構成されている。さらに、下流側ＮＯ_X流量演算手段３５は、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと、触媒温度やアンモニアの吸着量等の選択還元触媒１３の状態とに基づいて、選択還元触媒１３よりも下流側における下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄを演算により推定するように構成されている。上流側ＮＯ_X流量及び下流側ＮＯ_X流量の演算方法は特に限定されるものではなく、ＮＯ_X濃度センサのセンサ値を用いて演算することもできる。

再生制御手段４１は、パティキュレートフィルタ１２の再生条件が成立しているか否かを判定し、パティキュレートフィルタ１２に捕集されたパティキュレートを燃焼させてパティキュレートフィルタ１２を再生させる制御の実行指示を生成するように構成されている。本実施の形態にかかる電子制御装置３０の再生制御手段４１は、差圧センサ１５によって検出される差圧ΔＰｄｐｆが所定の閾値を超えていることや、その他の内燃機関１の運転状態などを再生条件として判定するようになっている。ただし、パティキュレートフィルタ１２の再生条件はこの例に限定されない。

また、再生制御手段４１は、パティキュレートフィルタ１２が再生時期にあると判定した後、所定の再生準備が完了してから、再生制御を開始させるようになっている。この再生準備は、再生制御によって排気温度が上昇することに伴い、選択還元触媒１３の最大吸着量が低下してアンモニアが選択還元触媒１３の下流側に流出することを防ぐために実行されるものとなっている。具体的には、パティキュレートフィルタ１２の再生条件が成立すると、還元剤噴射制御手段３７は、再生準備として、少なくとも選択還元触媒１３に吸着しているアンモニアがすべて消費されるまで液体還元剤の噴射を停止するようになっている。そして、再生制御手段４１は、アンモニアの吸着量がゼロになった後、再生制御を実行させる。

また、本実施の形態にかかる電子制御装置３０の再生制御手段４１は、再生制御として、内燃機関１から排出される排気中にＨＣ（未燃燃料）が含まれるように燃料噴射弁５による燃料噴射制御を実行させるようになっている。その結果、ＨＣが酸化触媒１１中で酸化される際の酸化熱によって排気温度が上昇し、高温の排気熱によってパティキュレートフィルタ１２に捕集されたパティキュレートが燃焼される。

還元剤噴射制御手段３７は、還元剤供給装置２０の動作を制御して、排気管３内への還元剤噴射制御を実行するように構成されている。本実施の形態にかかる電子制御装置３０において、還元剤噴射制御手段３７は、還元剤噴射弁２３に供給する液体還元剤の圧力が所定の目標圧で維持されるように、図示しない圧力センサのセンサ値に基づいてポンプ２１の出力をフィードバック制御する。また、還元剤噴射制御手段３７は、上流側ＮＯ_X流量演算手段３１で算出される上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕや、下流側ＮＯ_X濃度検出手段３３で検出される下流側ＮＯ_X濃度Ｎｄ、排気温度等から推定される選択還元触媒１３の触媒温度等に基づいて還元剤噴射量を演算し、この還元剤噴射量に応じて還元剤噴射弁２３の制御を行う。

例えば、還元剤噴射制御手段３７は、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに対応するアンモニア量を求める。一方、還元剤噴射制御手段３７は、排気温度に対応する最大吸着量に対して目標吸着率を乗じて、選択還元触媒１３におけるアンモニアの目標吸着量を算出するとともに、これまでの積算結果として記憶されている現在の推定吸着量Ｖｂを減算して、目標吸着量に対して過不足のアンモニア量を求める。そして、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに対応するアンモニア量と、目標吸着量に対して過不足のアンモニア量とを足し合わせることによって必要アンモニア量を算出し、これに対応する還元剤噴射量を算出する。さらに、還元剤噴射制御手段３７は、下流側ＮＯ_X濃度Ｎｄが所定の閾値未満となるように、必要に応じて還元剤噴射量の補正を行う。

選択還元触媒１３におけるアンモニアの目標吸着率は、ＮＯ_X浄化率を高く維持する観点と、選択還元触媒１３よりも下流側へのアンモニアの流出を防ぐ観点とを考慮して、適切な値に設定される値である。具体的に、選択還元触媒１３は、図２（ａ）及び（ｂ）に示す特性を有していることから、選択還元触媒１３の下流側へのアンモニアの流出を抑えつつ、ＮＯ_X浄化率を高く維持できるように、そのときの触媒温度における最大吸着量に対するアンモニアの目標吸着率が設定されている。

すなわち、還元剤噴射制御手段３７では、噴射された液体還元剤から生成されるアンモニア量から、内燃機関１から排出されるＮＯ_Xの浄化に用いるアンモニア量と、触媒温度の急激な低下に伴うアンモニアの流出分とを減算した値を積算することで、それぞれの時点での選択還元触媒１３におけるアンモニアの推定吸着量Ｖｂが演算されるようになっている。液体還元剤の噴射が停止された状態においては、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに応じて推定吸着量Ｖｂが徐々に減少することになる。

また、上述のとおり、本実施の形態にかかる電子制御装置３０の還元剤噴射制御手段３７は、再生制御手段４１によってパティキュレートフィルタ１２の再生条件が成立していると判定された後、再生制御が開始される前に、再生準備として、液体還元剤の噴射を中断し、選択還元触媒１３におけるアンモニアの吸着量を一旦ゼロにする。また、再生制御が開始された後においても、排気温度が所定の閾値を下回るまで、液体還元剤の噴射制御が中断される。本実施の形態にかかる電子制御装置３０では、この再生準備段階を利用して、選択還元触媒１３の劣化診断制御を実行するようになっている。

還元剤消費量演算手段３９は、パティキュレートフィルタ１２の再生準備段階に入り、液体還元剤の噴射が停止された後、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなるまでの期間において、選択還元触媒１３で消費されたアンモニア量を演算するように構成されている。本実施の形態にかかる電子制御装置３０において、還元剤消費量演算手段３９は、液体還元剤の噴射が停止されたときの推定吸着量Ｖｂの値から、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなったときの推定吸着量Ｖｂの値を減算することによって、アンモニアの消費量を算出するように構成されている。

ここで算出されるアンモニアの消費量が、すなわち、液体還元剤の噴射を停止したときに選択還元触媒１３に実際に吸着されていたアンモニアの吸着量に相当する。還元剤噴射量は選択還元触媒１３の劣化状態が完全に反映されていない状態で算出されることから、選択還元触媒１３が劣化状態にあるとすると、選択還元触媒１３には最大吸着量に近いアンモニアが吸着していることになる。したがって、還元剤消費量演算手段３９で算出される実際のアンモニアの消費量は、液体還元剤の噴射を停止したときの選択還元触媒１３の最大吸着量に近似する値を示すことになる。

判定手段４３は、パティキュレートフィルタ１２が再生時期にあると判定された後、液体還元剤の噴射が中断されて、選択還元触媒１３中のアンモニアの吸着量がゼロになるまでの期間において、選択還元触媒１３の劣化診断を実行するように構成されている。

図４（ａ）〜（ｂ）は、本実施の形態にかかる電子制御装置３０によって実行される選択還元触媒１３の劣化診断を概略的に説明するために示す図である。
図４（ａ）は、選択還元触媒１３におけるアンモニアの最大吸着量の、劣化度合いによる差を示している。実線が、正常状態の選択還元触媒１３の最大吸着量曲線を示しており、破線が、劣化状態の選択還元触媒１３の最大吸着量を示している。また、図４（ｂ）は、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕが一定であると仮定したときの、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄの変化、及び、選択還元触媒１３におけるアンモニアの推定吸着量Ｖａ，Ｖｂの、劣化度合いによる差を示している。

図４（ａ）に示すように、選択還元触媒１３の最大吸着量は、触媒温度が同じであっても、劣化が進行するにつれて減少する。触媒温度がＴｃａｔ０のときに再生準備が開始されるとすると、この時点での最大吸着量は選択還元触媒１３の劣化状態に応じて差が生じている（Ｖ１，Ｖ２）。このとき、選択還元触媒１３が正常状態であれば、アンモニアの吸着率が目標吸着率となるように還元剤の噴射制御が行われるために、アンモニアの推定吸着量はＶ１´となる。一方、選択還元触媒１３が劣化している場合には、アンモニアが選択還元触媒１３の下流側に流出しやすい状態、すなわち、選択還元触媒１３においてはアンモニアが飽和状態となっているために、アンモニアの吸着量はＶ２と推定される。

そして、図４（ｂ）に示すように、再生準備が開始されるｔ０の時点以降、液体還元剤の噴射が停止されると、選択還元触媒１３に吸着されていたアンモニアが徐々に消費されて吸着率が徐々に低下することから、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄが徐々に上昇して、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに近似していく。そして、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄと上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕとが等しくなるｔ１の時点において、実際のアンモニアの吸着量Ｖａはゼロになる。

このとき、選択還元触媒１３が正常状態であるとした場合の推定吸着量Ｖｂは、液体還元剤の噴射を停止した時点の推定吸着量Ｖ１´から差分ΔＶだけ減少した値となっている。この差分ΔＶが、実際の選択還元触媒１３における液体還元剤の噴射を停止したときの吸着量Ｖ２、すなわち、液体還元剤の噴射を停止してから上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなるまでのアンモニアの消費量に相当する。

このアンモニアの消費量に相当する差分ΔＶは、選択還元触媒１３の劣化度合いが大きいほど小さな値を示す。これは、選択還元触媒１３の劣化度合いが大きいほど、液体還元剤の噴射を停止したときの推定吸着量は小さいために、液体還元剤の噴射を停止してから上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなるまでの時間ｔＡが短くなることによる。したがって、本実施の形態にかかる電子制御装置３０においては、このアンモニアの消費量に相当する差分ΔＶに基づいて、選択還元触媒１３の劣化状態を判定するものとなっている。

例えば、選択還元触媒１３が正常状態であるとした場合の、液体還元剤の噴射を停止したｔ０での推定吸着量Ｖ１´に対する差分ΔＶの比率Ｒ（ΔＶ／Ｖ１´）によって、選択還元触媒１３の劣化度合いを診断することができる。この場合、実際の比率Ｒ（ΔＶ／Ｖ１´）が小さいほど劣化が進行していることを意味する。このとき、比率Ｒ（ΔＶ／Ｖ１´）が所定の閾値Ｒ０未満のときに選択還元触媒１３が劣化していると判定することができる。あるいは、比率Ｒ（ΔＶ／Ｖ１´）を複数段階に分けて、劣化状態を段階的に判定することもできる。

（２）フローチャート
以下、本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置としての電子制御装置３０によって実行される選択還元触媒１３の劣化診断方法の一例を、図５及び図６のフローチャート図に沿って具体的に説明する。以下に説明する劣化診断方法のルーチンは、内燃機関１の運転中において、常時、又は所定の回数ごとに割り込むことによって実行されるようになっている。

まず、ステップＳ１において、電子制御装置３０は、液体還元剤の噴射制御を通常の手順に従って実行する。すなわち、電子制御装置３０は、内燃機関１から排出されるＮＯ_X流量である上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと、選択還元触媒１３における現在のアンモニアの吸着率及び目標吸着率の差とに基づいて算出される還元剤の目標噴射量にしたがって還元剤噴射弁２３の通電制御を実行し、選択還元触媒１３よりも上流側の排気管３に還元剤を噴射する。

次いで、ステップＳ２において、電子制御装置３０は、パティキュレートフィルタ１２の再生条件が成立しているか否かを判別する。再生条件が成立していない場合（Ｎｏの場合）には、そのまま本ルーチンを終了してスタートに戻る一方、再生条件が成立している場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ３に進み、液体還元剤の噴射を停止する。

次いで、ステップＳ４において、電子制御装置３０は、液体還元剤の噴射を停止した時点で算出されていた選択還元触媒１３におけるアンモニアの推定吸着量Ｖ１´を記憶した後、ステップＳ５において、内燃機関１の運転状態等に基づいて、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕを演算により求める。

次いで、ステップＳ６において、電子制御装置３０は、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕ、及び、触媒温度やアンモニア吸着量等の選択還元触媒１３の状態を示す情報に基づいて、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄを演算により求める。その後、ステップＳ７において、電子制御装置３０は、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄが上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに到達したか否かを判別する。

下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄが上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに到達していない場合（Ｎｏの場合）には、ステップＳ５に戻り、電子制御装置３０は、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄが上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに到達するまでステップＳ５〜ステップＳ７を繰り返し行う。そして、ステップＳ７において、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄが上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに到達した場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ８に進み、電子制御装置３０は、その時点で算出されていた選択還元触媒１３におけるアンモニアの推定吸着量Ｖ３を記憶する。

次いで、電子制御装置３０は、ステップＳ９において、差分ΔＶ（＝Ｖ１´−Ｖ３）を求めた後、ステップＳ１０において、差分ΔＶに基づいて選択還元触媒１３の劣化判定を実行する。

図６は、劣化判定の一例を具体的に示すフローチャート図である。この例では、まず、ステップＳ２１において、電子制御装置３０は、還元剤の噴射を停止したときの推定吸着量Ｖ１´に対する、下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄが上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕに到達したときの推定吸着量Ｖ３の比率Ｒを算出する。

次いで、ステップＳ２２において、電子制御装置３０は、算出された比率Ｒが所定の閾値Ｒ０未満となっているか否かを判別する。比率Ｒが閾値Ｒ０以上の場合（Ｎｏの場合）には、選択還元触媒１３に劣化異常は見られないことから、ステップＳ３１に進んで、電子制御装置３０は、劣化異常なしと判定して劣化判定を終了し、スタートに戻る。

一方、比率Ｒが閾値Ｒ０未満となっている場合には、ステップＳ２３に進み、電子制御装置３０は、カウンタ値が所定の閾値Ｃｔ０に到達しているか否かを判別する。このカウンタ値は、液体還元剤の噴射量を増量補正した回数を示している。カウンタ値が閾値Ｃｔ０未満の場合（Ｎｏの場合）には、ステップＳ２９に進み、電子制御装置３０は、還元剤噴射量を増量補正するように液体還元剤の目標噴射量の演算式の係数を変更するとともに、ステップＳ３０において、カウンタ値をプラス１とする。還元剤噴射量を増量補正するのは、比率Ｒが閾値Ｒ０未満となっている原因が、還元剤供給装置２０の故障による還元剤不足である場合を排除するためである。

電子制御装置３０は、還元剤噴射量の増量補正を指示した後、スタートに戻って、パティキュレートフィルタ１２の再生制御が終了して、液体還元剤の噴射制御が再開されるまで待機する。そして、液体還元剤の噴射制御が再開されるときには、再び、ステップＳ１以降の各ステップを、同様の手順に沿って実行する。

一方、上述のステップＳ２３において、カウンタ値が閾値Ｃｔ０に到達している場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ２４に進み、電子制御装置３０は、比率ＲがＲ１≦Ｒ＜Ｒ０となっているか否かを判別する。カウンタ値が閾値Ｃｔ０以上であるということは、還元剤噴射量を増量補正しても比率Ｒが閾値Ｒ０未満であったことを意味しており、選択還元触媒１３の劣化が進行していると判定することができる。これ以降のステップＳ２４〜ステップＳ２８は、選択還元触媒１３の劣化度合いを判定するために設けられている。

ステップＳ２４において、比率ＲがＲ１≦Ｒ＜Ｒ０となっている場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ２５に進み、電子制御装置３０は、選択還元触媒１３は劣化状態ではあるが、小程度の劣化であると判定して劣化判定を終了し、スタートに戻る。一方、ステップＳ２４において、比率ＲがＲ１≦Ｒ＜Ｒ０となっていない場合には、ステップＳ２６に進み、電子制御装置３０は、比率ＲがＲ２≦Ｒ＜Ｒ１となっているか否かを判別する。比率ＲがＲ２≦Ｒ＜Ｒ１となっている場合（Ｙｅｓの場合）には、ステップＳ２７に進み、電子制御装置３０は、選択還元触媒１３は劣化状態であり、中程度の劣化であると判定して劣化判定を終了し、スタートに戻る。

一方、ステップＳ２６において、比率ＲがＲ２≦Ｒ＜Ｒ１となっていない場合には、すなわち、比率ＲがＲ２未満である状態であることから、ステップＳ２８に進み、電子制御装置３０は、選択還元触媒１３は著しく劣化していると判定して劣化判定を終了し、スタートに戻る。

図５に戻り、ステップＳ１０において劣化判定が実行された後、電子制御装置３０は、選択還元触媒１３の劣化状態を運転者等に知らせるために、警報手段や画像表示手段、警告ランプ等を作動する。これにより、運転者等は、選択還元触媒１３を交換する必要があることを認識することができる。

３．本実施の形態による効果
以上説明した本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置としての電子制御装置３０は、液体還元剤の噴射を停止してから、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなるまでの期間におけるアンモニアの消費量ΔＶに基づいて選択還元触媒１３の劣化状態を判定することとしている。したがって、選択還元触媒１３における最大吸着量の減少度合を把握することができるようになって、選択還元触媒１３の劣化状態を精度良く診断することを可能にすることができる。その結果、選択還元触媒１３のみを修理、交換することで対応することができるようになり、メンテナンスに要する費用や手間を省略することができる。

また、本実施の形態にかかる電子制御装置３０によれば、液体還元剤の噴射を停止した時点での選択還元触媒１３におけるアンモニアの推定吸着量Ｖ１´と、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなった時点でのアンモニアの推定吸着量Ｖ３と、に基づいてアンモニアの消費量を求めることとしている。そのため、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなるまでのアンモニアの消費量ΔＶを正確に推定することができ、選択還元触媒１３の劣化状態を精度良く診断することができるようになる。

また、本実施の形態にかかる電子制御装置３０によれば、液体還元剤の噴射を停止したときの選択還元触媒１３におけるアンモニアの推定吸着量Ｖ１´に対するアンモニアの消費量ΔＶの割合Ｒに基づいて、選択還元触媒１３の劣化度合いを判定することとしている。そのため、選択還元触媒１３の劣化の有無をより正確に判定することができるだけでなく、劣化度合いを正確に把握することができる。

また、本実施の形態にかかる電子制御装置３０によれば、パティキュレートフィルタ１２の再生制御の開始前の再生準備段階において液体還元剤の噴射を停止したときを利用して選択還元触媒１３の劣化診断を行うこととしている。そのため、選択還元触媒１３の劣化診断を実行するために特別な介入操作を不要とすることができる。また、このような時期を利用して選択還元触媒１３の劣化診断を実行することとすれば、パティキュレートフィルタ１２の再生制御のたびに診断の機会が得られるため、特別な介入操作をすることなく診断頻度を高く維持することができる。

また、本実施の形態にかかる電子制御装置３０によれば、アンモニアの消費量ΔＶが液体還元剤の噴射を停止したときのアンモニアの推定吸着量Ｖ１´よりも小さい場合に、液体還元剤の噴射量を増量補正させて判定を繰り返し行い、アンモニアの消費量ΔＶと推定吸着量Ｖ１´とのずれが解消されない場合に選択還元触媒１３の劣化異常と判定することとしている。そのため、還元剤供給装置２０の異常や噴射量のずれを原因として比率Ｒが閾値Ｒ０未満となっているにもかかわらず、選択還元触媒１３の劣化異常と判定するおそれを低減することができる。

４．変形例
以上説明した本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置は、本発明の一態様を示すものであってこの発明を限定するものではなく、実施の形態は本発明の範囲内で任意に変更することが可能である。本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置は、例えば、以下のように変更することができる。

（１）本実施の形態において説明した排気浄化装置１０を構成する各構成要素や、電子制御装置３０の設定値、設定条件はあくまでも一例であって、任意に変更することが可能である。

（２）本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置としての電子制御装置３０は、差圧センサ１５によって検出されるパティキュレートフィルタ１２の上流側と下流側との間の差圧ΔＰｄｐｆが所定の閾値を超えることを、パティキュレートフィルタ１２の再生条件に含めているが、これに代わり、内燃機関１から排出されるパティキュレートの流量を推定し、積算値が所定の閾値を超えることを条件としてもよい。あるいは、この条件を、車両の走行距離や、走行時間等に置き換えることもできる。

（３）本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置としての電子制御装置３０は、液体還元剤の噴射を停止してから、上流側ＮＯ_X流量Ｎｆｕと下流側ＮＯ_X流量Ｎｆｄとが等しくなるまでの期間におけるアンモニアの消費量ΔＶを求めているが、上流側ＮＯ_X量及び下流側ＮＯ_X量は、流量ではなく濃度としてもよい。

（４）本実施の形態にかかる選択還元触媒の劣化診断装置としての電子制御装置３０によって実行される劣化診断方法のフローチャートにおいて、さらに、還元剤供給装置２０による液体還元剤の噴射制御が適切に行われているか否かを判定するステップを設けることもできる。例えば、図６のステップＳ２３においてカウンタ値が閾値Ｃｔ０以上である場合（Ｙｅｓの場合）に、ステップＳ２４に進む前に、還元剤供給装置２０の状態を確認するステップを設けるとよい。

図７は、還元剤供給装置２０の状態を確認する方法の一例を示すフローチャート図である。かかるフローチャートは、選択還元触媒１３の劣化診断のフローチャートと平行して実行されるものである。

この例では、まず、ステップＳ４１において、電子制御装置３０は、還元剤タンク内に設けられたレベルセンサ（残量センサ）のセンサ値に基づいて、液体還元剤の残量の開始値を記憶する。次いで、ステップＳ４２において、電子制御装置３０は、液体還元剤の噴射量を演算により求めて噴射制御を実行する。

次いで、電子制御装置３０は、ステップＳ４３において液体還元剤の総噴射量を積算した後、ステップＳ４４において、総噴射量が判定を行うための閾値Ｑｕ０に到達したか否かを判別する。液体還元剤の残量の開始値を記憶してからの総噴射量が閾値Ｑｕ０に到達するまでは、ステップＳ４２〜ステップＳ４４を繰り返し実行する。

液体還元剤の総噴射量が閾値Ｑｕ０に到達したときには、ステップＳ４５に進み、電子制御装置３０は、レベルセンサのセンサ値に基づいて、液体還元剤の残量の終了値を記憶する。次いで、電子制御装置３０は、ステップＳ４６において、レベルセンサの開始値及び終了値と、還元剤タンクの形状や断面積の情報等に基づいて、還元剤タンク内の液体還元剤の減少量を算出し、ステップＳ４７において、閾値Ｑｕ０から減少量を引いた値が所定の誤差の範囲内であるか否かを判別する。

閾値Ｑｕ０から減少量を引いた値が誤差の範囲内であれば、液体還元剤の噴射制御は適切に実行されていると推定されるため、電子制御装置３０は、ステップＳ４８に進んでエラー無しと判定して、終了する。一方、閾値Ｑｕ０から減少量を引いた値が誤差の範囲を超えている場合には、液体還元剤の噴射制御が適切に実行されていないと推定されるため、電子制御装置３０は、ステップＳ４９に進んで噴射量エラーと判定して、終了する。

電子制御装置３０は、このような例による還元剤供給装置２０の状態の確認結果をステータスとして記憶しておき、図６のステップＳ２３の後、ステップＳ２４に進む前に、かかるステータスを確認する。その結果、ステータスがエラー無しとなっている場合には、ステップＳ２４に進んで、選択還元触媒１３の劣化度合いの判定を継続する。一方、ステータスが噴射量エラーを示している場合には、ステップＳ２２において、比率Ｒが閾値Ｒ０未満となっている原因が、液体還元剤の噴射量不足によるものと推定されることから、選択還元触媒１３の劣化判定を終了する。

以上のように、還元剤供給装置２０の状態を確認するステップを設けることによって、比率Ｒが閾値Ｒ０未満となっている原因が、液体還元剤の噴射量不足によるものであるにもかかわらず、選択還元触媒１３が劣化していると判定されることを防ぐことができる。ただし、液体還元剤の噴射制御が適切に実行されているか否かを確認する方法は、上述の例に限定されるものではない。

１：内燃機関、３：排気管、５：燃料噴射弁、１０：排気浄化装置、１１：酸化触媒、１２：パティキュレートフィルタ、１３：選択還元触媒、１５：差圧センサ、１７：下流側ＮＯ_X濃度センサ、２０：還元剤供給装置、２１：ポンプ、２３：還元剤噴射弁、３０：電子制御装置（選択還元触媒の劣化診断装置）、３１：上流側ＮＯ_X流量演算手段、３３：下流側ＮＯ_X濃度検出手段、３５：下流側ＮＯ_X流量演算手段、３７：還元剤噴射制御手段、３９：還元剤消費量演算手段、４１：再生制御手段、４３：判定手段

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に備えられて還元剤を吸着するとともに排気中のＮＯ_Xを前記還元剤を用いて選択的に還元する選択還元触媒と、前記選択還元触媒よりも上流側で前記排気通路内に前記還元剤を噴射する還元剤供給装置と、を備えた排気浄化装置における前記選択還元触媒の劣化状態を診断するための選択還元触媒の劣化診断装置において、
   前記選択還元触媒よりも上流側のＮＯ_X量を求める上流側ＮＯ_X量検出手段と、
   前記選択還元触媒よりも下流側のＮＯ_X量を求める下流側ＮＯ_X量検出手段と、
   前記還元剤の噴射を停止してから前記上流側のＮＯ_X量と前記下流側のＮＯ_X量とが等しくなるまでの前記還元剤の消費量に基づいて前記選択還元触媒の劣化状態を判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする選択還元触媒の劣化診断装置。
2. 前記判定手段は、前記還元剤の噴射を停止したときの前記選択還元触媒における還元剤の推定吸着量と、前記上流側のＮＯ_X量と前記下流側のＮＯ_X量とが等しくなったときの前記推定吸着量と、に基づいて前記還元剤の消費量を求めることを特徴とする請求項１に記載の選択還元触媒の劣化診断装置。
3. 前記判定手段は、前記還元剤の噴射を停止したときの前記選択還元触媒における還元剤の推定吸着量に対する前記還元剤の消費量の割合に基づいて、前記選択還元触媒の劣化度合いを判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の選択還元触媒の劣化診断装置。
4. 前記排気浄化装置は、前記排気通路に備えられて排気中の粒子状物質を捕集するパティキュレートフィルタを備えており、
   前記判定手段は、前記パティキュレートフィルタの再生制御の開始前に前記還元剤の噴射を停止したときに前記判定を行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の選択還元触媒の劣化診断装置。
5. 前記判定手段は、前記還元剤の消費量が前記還元剤の噴射を停止したときの前記選択還元触媒における還元剤の推定吸着量よりも小さい場合には前記還元剤の噴射量を増量補正させて前記判定を繰り返し行い、前記還元剤の消費量と前記推定吸着量とのずれが解消されない場合に前記選択還元触媒の劣化異常と判定することを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の選択還元触媒の劣化診断装置。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載された選択還元触媒の劣化診断装置を備えた排気浄化装置。

Images