JP2013019401A

JP2013019401A - 触媒劣化判定システム

Info

Publication number: JP2013019401A
Application number: JP2011155746A
Authority: JP
Inventors: Hirotaka Saito; 洋孝齋藤; Yoshitaka Nakamura; 好孝中村; Toru Kidokoro; 徹木所
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-07-14
Filing date: 2011-07-14
Publication date: 2013-01-31

Abstract

【課題】吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化判定をより正確に行なう。
【解決手段】触媒へ還元剤を供給することで該触媒を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置と、触媒の温度を検出する温度検出装置と、供給装置から還元剤を供給するときに触媒を通過する排気の空燃比が１４以下となるように還元剤量を調節する制御装置と、触媒を通過する排気の空燃比を１４以下としたときの触媒の温度の上昇量が閾値未満の場合にＮＯx触媒は劣化していると判定し、温度の上昇量が閾値以上の場合にＮＯx触媒は正常であると判定する判定装置と、を備える。
【選択図】図１２

Description

本発明は、触媒劣化判定システムに関する。

吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒ともいう。）に吸蔵されているＮＯxの還
元制御を実行し、そのときのＮＯx触媒の温度上昇が所定値以下の場合に該ＮＯx触媒が劣化していると判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、ＮＯx触媒に還元剤を供給したときの温度上昇量は、空燃比の影響を受ける
ため、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比によってＮＯx触媒の劣化判定の精度が変わる虞がある。

特開２００７−０５１６０７号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、吸蔵還元型ＮＯx触媒
の劣化判定をより正確に行なうことができる技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による触媒劣化判定システムは、
内燃機関の排気通路に設けられてＮＯxを吸蔵し、吸蔵していたＮＯxを還元剤の供給により還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を判定する触媒劣化判定システムにおいて、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給することで該吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度を検出する温度検出装置と、
前記供給装置から還元剤を供給するときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の
空燃比が１４以下となるように還元剤量を調節する制御装置と、
前記制御装置により前記吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の空燃比を１４以下とし
たときの前記温度検出装置により検出される温度の上昇量が閾値未満の場合に前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は劣化していると判定し、該温度の上昇量が閾値以上の場合に前記吸蔵還
元型ＮＯx触媒は正常であると判定する判定装置と、
を備える。

ＮＯx触媒は、リーン空燃比のときにＮＯxを吸蔵し、吸蔵していたＮＯxを還元剤が存
在するときに還元する。供給装置は、ＮＯx触媒へ還元剤を供給することができる。還元
剤は、排気通路を流通する排気中に供給してもよく、内燃機関から排出させるようにしてもよい。そして、還元剤を供給することで、排気の空燃比が低下する。

ここで、ＮＯx触媒に還元剤を供給すると、酸化還元反応により該ＮＯx触媒の温度が上昇する。そして、ＮＯx触媒が劣化すると、還元能が低下するため、還元剤を供給したと
きに温度が上昇し難くなる。したがって、還元剤を供給したときの温度検出装置により検出される温度の上昇量が、ＮＯx触媒の劣化の度合いに応じて小さくなる。

ただし、ＮＯx触媒の温度の上昇量は、該ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比によっても
変わる。ここで、リッチ空燃比ではあるが比較的空燃比が高い場合（理論空燃比近傍の場合としてもよい。）には、排気中の酸素による還元剤の酸化反応が活発になる。このため、ＮＯx触媒の表面まで到達できない還元剤が多くなり、ＮＯxの還元が緩慢となる。これは、ＮＯx触媒が正常であっても、また劣化していても起こる現象である。そして、還元
剤が排気中の酸素によって酸化されることにより、ＮＯx触媒の温度が上昇する。そうす
ると、ＮＯx触媒が正常な場合であっても、劣化している場合であっても、温度が上昇す
るので、両者の温度上昇量の差は小さい。

一方、ＮＯx触媒に流入する排気の空燃比が１４以下となると、排気中の酸素量に対し
て還元剤量が多くなるため、ＮＯx触媒の表面まで還元剤が届くようになる。そして、Ｎ
Ｏx触媒が正常であれば、ＮＯxの還元反応が活発に起こるが、ＮＯx触媒が劣化している
と還元反応が緩慢となる。このため、ＮＯx触媒が劣化していると、還元剤が過剰となり
該還元剤がＮＯx触媒の表面に付着する。これにより、ＮＯxの還元がさらに緩慢となりＮＯx触媒の温度が低下する。そして、ＮＯx触媒の温度が活性温度以下となると、還元剤がほとんど反応しなくなり、さらに温度が低下してしまう。したがって、正常なＮＯx触媒
に対して劣化しているＮＯx触媒の温度の上昇量が大きく低下する。

このように、排気の空燃比を１４以下とすることで、ＮＯx触媒が劣化している場合に
は、還元剤が反応できなくなるので、ＮＯx触媒の温度の上昇量の低下が顕著になる。

そうすると、温度検出装置により検出される温度の上昇量と、閾値と、を比較することで劣化判定を行うことができる。この閾値は、ＮＯx触媒が正常なときの温度の上昇量の
下限値としてもよい。この閾値は、誤差などを考慮してある程度の余裕を持たせて決定してもよい。また、閾値は、許容できる温度の上昇量としてもよい。

なお、温度検出装置により検出される温度の上昇量は、たとえば、還元剤供給前または供給開始時の温度から、還元剤を供給した後であって該還元剤の影響がＮＯx触媒の温度
に現れている間の該温度の最大値までの上昇量としてもよい。また、温度検出装置は、ＮＯx触媒の温度を直接検出してもよいが、ＮＯx触媒よりも下流側の排気の温度から推定してもよい。また、ＮＯx触媒よりも下流側の排気の温度をＮＯx触媒の温度としてもよい。

このように、排気の空燃比を１４以下とすることで、ＮＯx触媒の劣化判定をより正確
に行うことができる。

また、本発明においては、前記制御装置は、還元剤の供給時に排気の空燃比を１３．５以上で且つ１４以下とすることができる。

ここで、排気の空燃比を低くし過ぎると、ＮＯx触媒が正常であっても還元剤が過剰と
なり、ＮＯx触媒の温度が低下してしまう。これに対し空燃比を１３．５以上に保つこと
で、ＮＯx触媒が正常な場合に還元剤が過剰となることを抑制できる。すなわち、ＮＯx触媒が正常であれば温度の上昇量が大きくなる空燃比とすることにより、劣化判定の精度をより高めることができる。

また、本発明においては、前記判定装置は、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されているときに還元剤を供給し、そのときの前記温度の上昇量に基づいて判定を行うことができる。

還元剤供給時のＮＯx触媒の温度は、ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量の影響を受け
る。そして、吸蔵されているＮＯxが還元されるときの温度上昇量は、ＮＯx触媒の劣化の度合いに応じて小さくなる。仮に、ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されていない状態で還元剤を
供給しても、該ＮＯx触媒に流入するＮＯxが還元されるために温度が上昇し、劣化判定が可能である。しかし、ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されている状態で還元剤を供給したほうが、劣化しているＮＯx触媒と正常なＮＯx触媒とで温度の上昇量の差がより大きくなるため、劣化判定の精度をより高めることができる。

たとえば、判定装置は、ＮＯx触媒に所定量以上のＮＯxが吸蔵されているときに判定を行ってもよい。この所定量は、ＮＯx触媒の劣化判定を行うときのＮＯx吸蔵量として設定される。

本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化判定をより正確に行なうことができる。

実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。ＮＯx触媒におけるＮＯxの吸蔵作用を説明するための図である。ＮＯx触媒におけるＮＯxの還元作用を説明するための図である。正常なＮＯx触媒に還元剤を供給したときのＮＯx触媒の温度の推移を示したタイムチャートである。劣化しているＮＯx触媒に還元剤を供給したときのＮＯx触媒の温度の推移を示したタイムチャートである。空燃比とＮＯx触媒の温度上昇量との関係を示した図である。還元剤供給時にＮＯx触媒に流入する排気の空燃比と、ＮＯx触媒から流出する排気のＮＯx濃度との関係を示した図である。還元剤供給時にＮＯx触媒に流入する排気の空燃比と、ＮＯx触媒から流出する排気のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。リッチ空燃比のときであって、還元剤（ＨＣ）がＮＯx触媒の表面に付着してＨＣ被毒が起こることを説明するための図である。リーン空燃比のときであって、還元剤が酸素と反応してＨＣ被毒が解消することを説明するための図である。ＮＯx触媒の劣化判定時の該ＮＯx触媒の温度（触媒温度）と、排気の空燃比との推移を示したタイムチャートである。ＮＯx触媒の劣化判定のフローを示したフローチャートである。

以下、本発明に係る触媒劣化判定システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、吸蔵還元型ＮＯx触媒４（以下、ＮＯx触媒４という。）が備えられている。

ＮＯx触媒４は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を担体とし、その担体上に、たとえ
ばバリウム（Ｂａ）及び白金（Ｐｔ）を担持して構成されている。

このＮＯx触媒４は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元す
る機能を有する。

また、ＮＯx触媒４よりも上流の排気通路２には、排気中に還元剤を噴射する噴射弁５
が取り付けられている。噴射弁５は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して排気中へ還元剤を噴射する。還元剤には、たとえば内燃機関１の燃料（軽油）が用いられるが、これに限らない。

噴射弁５から排気通路２内へ噴射された燃料は、排気通路２の上流から流れてきた排気の空燃比を低下させる。そして、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxの還元時には、噴射弁５から燃料を噴射することにより、ＮＯx触媒４に流入する排気の空燃比を比較的に短
い周期で低下させる所謂リッチスパイク制御を実行する。噴射弁５から噴射させる還元剤量は、たとえば内燃機関１の運転状態（機関回転数及び機関負荷）に基づいて決定される。還元剤量と機関回転数と機関負荷との関係は予めマップ化しておくことができる。また、排気通路２に空燃比センサを取り付けて、該空燃比センサにより検出される空燃比が目標値となるように還元剤量をフィードバック制御してもよい。

なお、本実施例においては噴射弁５が、本発明における供給装置に相当する。また、内燃機関１から未燃燃料を排出させることで還元剤を供給することもできる。すなわち、気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、該筒内噴射弁から主噴射を行なった後の膨張行程中若しくは排気行程中に再度燃料を噴射する副噴射（ポスト噴射）を行なったり、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を遅らせたりすることにより、内燃機関１から還元剤を多く含むガスを排出させることもできる。

また、ＮＯx触媒４には、該ＮＯx触媒４の温度を検出する温度センサ６が取り付けられている。なお、本実施例においては温度センサ６が、本発明における温度検出装置に相当する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１を制御する。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１２、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁５が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁５の開閉時期が制御される。なお、本実施例では噴射弁５から供給する還元量を調節することで排気の空燃比を調節するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

そして、ＥＣＵ１０は、リッチスパイク制御を行ったときに温度センサ６により検出されるＮＯx触媒４の温度の上昇量に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行う。なお、温度の上昇量の代わりに温度の最高値に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行ってもよい。劣化
判定時のリッチスパイク制御では、まず排気の空燃比が１４よりも高い範囲内でリッチ空燃比となるように噴射弁５から還元剤を噴射させる。このときに１回目の温度の検出を行う。その後、排気の空燃比が１３．５以上で且つ１４以下の範囲内でリッチ空燃比となるように噴射弁５から還元剤を噴射させて、このときに２回目の温度の検出を行う。そして、リッチスパイク制御時に検出される温度と、還元剤供給開始前または還元剤供給開始時の温度と、の差を夫々求めて、夫々の閾値と比較することでＮＯx触媒４の劣化判定を行
う。

ここで、図２は、ＮＯx触媒４におけるＮＯxの吸蔵作用を説明するための図である。また、図３は、ＮＯx触媒４におけるＮＯxの還元作用を説明するための図である。

ＮＯx触媒４は、排気の空燃比がリーンのときにＮＯをＰｔ上でＯ_２と酸化させ、Ｂａ
へＢａ（ＮＯ_３）_２として吸蔵する。一方、還元剤を供給して排気の空燃比をリッチとすると、Ｂａ（ＮＯ_３）_２がＮＯ_２となって放出され、さらにＰｔ上でＮ_２に還元される。このときに、ＮＯx触媒４では、ＮＯとＨ_２とが反応して、ＮＨ_３とＨ_２Ｏとが生成され
る。また、ＨＣとＮＯとが反応して、ＮＨ_３とＨ_２ＯとＣＯ_２とが生成される。なお、ＮＯx触媒４に流入するＮＯxも、ＮＯx触媒４から放出されるＮＯxと同様に反応する。

ここで、図４は、正常なＮＯx触媒４に還元剤を供給したときのＮＯx触媒４の温度の推移を示したタイムチャートである。また、図５は、劣化しているＮＯx触媒４に還元剤を
供給したときのＮＯx触媒４の温度の推移を示したタイムチャートである。図４，５は、
夫々、リッチ空燃比とするときにリッチの度合いを異ならせて複数回のリッチスパイク制御を行った結果を示している。なお、図４，５は、内燃機関１から還元剤を多く含むガスを排出させることでリッチスパイク制御を行った場合を示している。また、リッチスパイク制御の実行時間は１０秒である。なお、還元剤供給開始時（０の時点）におけるＮＯx
触媒４のＮＯx吸蔵量は、正常なＮＯx触媒４と劣化しているＮＯx触媒４とで略同じであ
り、ＮＯx吸蔵量の違いによる温度への影響はほとんどない。

なお、正常なＮＯx触媒４は、例えば、全く劣化していないＮＯx触媒４、または、劣化しているものの、劣化の度合いが許容範囲内のＮＯx触媒４である。また、劣化している
ＮＯx触媒４は、劣化の度合いが許容範囲を超えたＮＯx触媒４である。

正常なＮＯx触媒４の場合、空燃比を１４．６から１４．０までリッチとしても、ＮＯx触媒４の温度の推移は略同じになるが、空燃比を１３．５といった極めてリッチ度合いが高い場合には、２０℃程度の温度低下が見られる。

一方、劣化しているＮＯx触媒４の場合では、空燃比のリッチ度合いが高くなるほど、
すなわち、空燃比が低下するほど、温度が上昇し難くなるため、空燃比が低くなるほど、ＮＯx触媒４の温度が低くなる。そして、空燃比が１４．０のときには、１４．６のとき
と比較して温度が４０℃以上低下しており、この場合には、ＮＯx触媒４の温度が活性温
度の下限値よりも低くなっていると考えられる。すなわち、ＮＯx触媒４が失活している
と考えられる。

なお、図４と図５とでは、試験の都合上リッチスパイク制御の開始時におけるＮＯx触
媒４の温度が異なっている。以下では、条件を合わせるために、ＮＯx触媒４の最高温度
とリッチスパイク制御の開始時の温度との差、すなわち、ＮＯx触媒４の温度の上昇量を
用いて説明する。

図６は、空燃比とＮＯx触媒４の温度上昇量との関係を示した図である。三角印（一点
鎖線）は、劣化しているＮＯx触媒４を示し、四角印（実線）は、正常なＮＯx触媒４を示している。

空燃比が１４．６から１４．４の理論空燃比近傍では、正常なＮＯx触媒４と劣化して
いるＮＯx触媒４とで温度上昇量が１０℃程度しか差がない。さらにリッチ度合いが高く
なると、正常なＮＯx触媒４及び劣化しているＮＯx触媒４で温度上昇量が低下するが、この低下の度合いは劣化しているＮＯx触媒４のほうが大きい。そして、空燃比１４以下で
は、正常なＮＯx触媒４と劣化しているＮＯx触媒４との温度上昇量の差が８０℃程度で略
一定となる。正常なＮＯx触媒４では、空燃比が１３．５となっても温度上昇量は１２０
℃以上であるため、還元反応が起こっていると推定できる。一方、劣化しているＮＯx触
媒４では、空燃比が１４以下になると、温度上昇量が略８０℃となり、還元反応がほとんど起こらない失活の状態であると推定できる。

したがって、空燃比１３．５以上で且つ１４以下では、劣化しているＮＯx触媒４のみ
が失活することにより、正常なＮＯx触媒４と劣化しているＮＯx触媒４とで温度上昇量の差が大きくなる。この現象について説明する。

ここで、還元反応中のＮＯx触媒４の温度変化の違いを考察するにあたり、還元反応に
おける反応物であるＮＯx、及び生成物であるＮＨ_３に着目する。図７は、還元剤供給時
にＮＯx触媒４に流入する排気の空燃比と、ＮＯx触媒４から流出する排気のＮＯx濃度と
の関係を示した図である。また、図８は、還元剤供給時にＮＯx触媒４に流入する排気の
空燃比と、ＮＯx触媒４から流出する排気のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。三角
印（一点鎖線）は、劣化しているＮＯx触媒４を示し、四角印（実線）は、正常なＮＯx触媒４を示している。なお、図７に基づいて、空燃比を３つの領域に分けて説明する。空燃比１４．６から１４．４を第一領域とし、空燃比１４．４から１４．２を第二領域とし、空燃比１４．２から１３．６を第三領域とする。

第一領域では、正常なＮＯx触媒４及び劣化しているＮＯx触媒４において共にＮＯxが
ＮＯx触媒４をすり抜けている。また、両触媒共に、ＮＨ_３濃度が低い。これらから、Ｎ
Ｏx触媒４における還元反応が緩慢であると考えられる。ここで、第一領域では酸素が多
く存在するために、還元反応よりも酸化反応が支配的であると考えられる。すなわち、ＮＯx触媒４のＮＯxが吸蔵されている所まで還元剤が到達できず還元反応がほとんど起こらないと考えられる。また、酸化反応は発熱反応である。そして、図６に示されるように温度上昇量が大きいことからも、酸化反応が支配的であると分かる。

第二領域では、正常なＮＯx触媒４及び劣化しているＮＯx触媒４において共にＮＯx濃
度が略０となる。すなわち、ＮＯx触媒４においてほとんどのＮＯxが還元されている。第二領域では、第一領域よりも還元剤が多いために、還元剤が酸化反応した後であっても、なお還元剤が存在している。このため、ＮＯx触媒４のＮＯxが吸蔵されている所まで還元剤が到達するようになり、ＮＯxの浄化率が高くなっていると考えられる。また、ＮＨ_３
濃度は劣化しているＮＯx触媒４よりも正常なＮＯx触媒４のほうが高くなっている。これは、正常なＮＯx触媒４では、触媒前端側でＮＯxが吸蔵されているのに対し、劣化しているＮＯx触媒４では、触媒後端側でＮＯxが吸蔵されているので、ＮＨ_３の生成速度に差が生じるためと推定される。

なお、正常なＮＯx触媒４では、ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されているときに、排気の
空燃比が理論空燃比よりもリッチ空燃比となるように還元剤を供給すると、ＮＯx触媒４
に吸蔵されていたＮＯxの放出量が比較的多くなる。そして、ＮＯxの還元効率も高いため、ＮＨ_３の生成量が比較的多くなる。また、リッチ度合いが高いほど、より多くのＮＯx
が放出されて、より多くのＮＨ_３が生成される。

一方、ＮＯx触媒４が劣化すると、ＮＯx触媒４における還元効率が低下するため、リッチ空燃比となるように還元剤を供給したときに、ＮＯx触媒４から放出されるＮＯx量が減少する。また、Ｐｔの表面積が小さくなるため、ＮＨ_３の生成量も減少する。したがって、ＮＯx触媒４よりも下流へ流れ出るＮＨ_３の量は、ＮＯx触媒４の劣化の度合いに応じて少なくなる。

次に、第三領域では、正常なＮＯx触媒４では、ＮＯx濃度が略０となりＮＯxが浄化さ
れていることが分かる。しかし、劣化しているＮＯx触媒４では、ＮＯxが存在しており、空燃比が低くなるほど、ＮＯx濃度が高くなる。これは、還元反応が可能な還元剤の量よ
りも供給される還元剤の量が多いために、還元剤が過剰となり還元剤が貴金属（Ｐｔ）を覆ってしまい、還元反応が緩慢になるためと推定される。

ここで、図９は、リッチ空燃比のときであって、還元剤（ＨＣ）がＮＯx触媒４の表面
に付着してＨＣ被毒が起こることを説明するための図である。また、図１０は、リーン空燃比のときであって、還元剤が酸素と反応してＨＣ被毒が解消することを説明するための図である。

劣化しているＮＯx触媒４では、Ｐｔのシンタリングにより表面積が減少している。そ
して、ＨＣがＮＯx触媒４に付着すると所謂ＨＣ被毒が生じるが、表面積が低下している
と、ＨＣ被毒による反応性の低下の影響が大きくなる。このため、劣化しているＮＯx触
媒４に限り、第三領域において未浄化のＮＯxが排出される。一方、ＨＣ被毒が生じてい
る状態で排気の空燃比がリーン空燃比となると、ＮＯx触媒４の表面に付着しているＨＣ
は、排気中の酸素により酸化されてＨＣ被毒が解消する。

そして、劣化しているＮＯx触媒４では、第三領域において還元剤の反応性が低下する
ため、図６に示したように、温度上昇量が極端に低下してしまう。この現象を利用してＮＯx触媒４の劣化を判定することができる。すなわち、還元剤を供給したときに、劣化し
ているＮＯx触媒４に限り温度上昇量が低下するように、排気の空燃比を調節することに
より、ＮＯx触媒４の劣化判定を行うことができる。劣化判定時の排気の空燃比は、たと
えば１３．５から１４であり、これは、劣化しているＮＯx触媒４に限り、温度上昇量が
閾値未満となる空燃比としてもよい。この閾値は、正常なＮＯx触媒４の温度上昇量の下
限値とすることができる。また、劣化判定時の排気の空燃比を、劣化しているＮＯx触媒
４に限り、ＮＯx触媒４よりも下流側にＮＯxが流出する空燃比としてもよい。また、劣化判定時の排気の空燃比を、劣化しているＮＯx触媒４に限り失活する空燃比としてもよい
。

図１１は、ＮＯx触媒４の劣化判定時の該ＮＯx触媒４の温度（触媒温度）と、排気の空燃比との推移を示したタイムチャートである。通常のリッチスパイク制御の後に、劣化判定用のリッチスパイク制御を行っている。通常のリッチスパイク制御は、ＮＯxを還元さ
せるためのリッチスパイク制御である。この通常のリッチスパイク制御は、ＮＯx触媒４
の劣化判定を行っていないときに、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを還元させるためのリッチスパイク制御と同じであり、このときの空燃比は、ＮＯxの還元に最も適した空
燃比とされる。これは、還元反応性が最も高い空燃比としてもよい。この通常のリッチスパイク制御では、空燃比がたとえば１４から１４．６の間になるように還元剤が供給される。このときのＮＯx触媒４の温度は、正常なＮＯx触媒４のほうが、劣化しているＮＯx
触媒４よりも高くなる。しかし、この差は小さいため、通常のリッチスパイク制御に検出される温度のみにより劣化判定を行うと精度が低くなる虞がある。そこで、通常のリッチスパイク制御では、「仮判定領域」において仮の劣化判定を行い、次に劣化判定用のリッチスパイク制御を行う。

劣化判定用のリッチスパイク制御では、劣化しているＮＯx触媒４では失活し、正常な
ＮＯx触媒４では失活しない空燃比となるように還元剤が供給される。この劣化判定用の
リッチスパイクを行うと、正常のＮＯx触媒４と劣化しているＮＯx触媒４との温度差が大きくなる。そして、「判定領域」において、劣化判定を行う。このときに、仮の劣化判定の結果を考慮してもよい。このように、二回のリッチスパイク制御の夫々において劣化判定を行い、たとえば結果を比較することで、劣化判定の精度をより高めることができる。

図１２は、ＮＯx触媒４の劣化判定のフローを示したフローチャートである。本ルーチ
ンは、ＥＣＵ１０により所定の期間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、ＮＯx触媒４の劣化判定を行う前提条件が成立しているか否か
判定される。たとえば温度センサ６が正常であるときに前提条件が成立していると判定される。温度センサ６が正常であるか否かは、周知の技術により判定することができる。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０２では、通常のリッチスパイク制御を実行する条件が成立しているか否か判定される。

たとえば、ＮＯx触媒４のＮＯx吸蔵量が所定量以上であり、ＮＯx触媒４の温度が所定
温度以上であり、吸入空気量または機関回転数が所定量以上である場合に、通常のリッチスパイク制御を実行する条件が成立していると判定される。

ＮＯx吸蔵量における所定量は、吸蔵されているＮＯxの還元を行う必要があるＮＯx吸
蔵量の下限値とすることができる。また、ＮＯxの還元が必要となるＮＯx吸蔵量を所定量としてもよい。また、所定量は、ＮＯxの還元を行わなければＮＯxを吸蔵することが困難となるＮＯx吸蔵量としてもよい。たとえば、ＮＯx吸蔵量が多くなるとＮＯxが吸蔵され
なくなるので、これを抑制するためにＮＯx吸蔵量に対して所定量が設定される。所定量
は、実験等により最適値を求めてもよい。なお、ＮＯx吸蔵量は、たとえば、内燃機関１
の運転状態（機関回転数及び機関負荷）に基づいて推定されるＮＯx排出量と、ＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯxの割合と、から推定することができる。また、ＮＯx触媒４よりも上流側及び下流側にＮＯxセンサを取り付けることによりＮＯxの吸蔵量を推定することもできる。なお、周知の技術によりＮＯx吸蔵量を推定してもよい。

また、ＮＯx触媒４の温度における所定温度は、ＮＯxの還元に適した温度としてもよい。これは、たとえば、ＮＯx触媒４が活性化しているときの温度である。ＮＯx触媒４の温度は、温度センサ６により検出される。

また、吸入空気量または機関回転数における所定量とは、供給された還元剤が速やかにＮＯx触媒４に到達する値として設定される。すなわち、還元剤がＮＯx触媒４に到達するまでに時間がかかると、還元剤を供給する前後の排気に還元剤が拡散して、該還元剤の濃度が低下する。そうすると、ＮＯx触媒４を通過する排気の空燃比が高くなってしまい、
目標となる空燃比に合わせることが困難となる。また、排気の流速が遅いと、触媒の温度が高くなる虞がある。すなわち、正常なＮＯx触媒４との温度差が小さくなり、劣化判定
が困難となる虞がある。これらを考慮して、所定量が設定される。所定量は、実験等により求めてもよい。

そして、ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０３では、通常のリッチスパイク制御が実行される。すなわち、ＮＯx触
媒４に吸蔵されているＮＯxを放出・還元させるためのリッチスパイク制御が行われる。
このときの排気の空燃比は、ＮＯxの放出・還元に適した空燃比であり、たとえば１４か
ら１４．６の間の値とされる。

ステップＳ１０４では、ＮＯx触媒４の最高温度と、通常のリッチスパイク制御開始時
のＮＯx触媒４の温度と、の差、すなわち温度上昇量ΔＴが閾値以上であるか否か判定さ
れる。閾値は、正常なＮＯx触媒４における温度上昇量ΔＴの下限値とすることができる
。また、閾値は、ＮＯx触媒４が正常と劣化との境にあるときの温度上昇量ΔＴとしても
よい。この閾値は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶しておく。また、閾値は、誤差等を考慮してある程度余裕を持たせて決定してもよい。

ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進んで、ＮＯx触
媒４は正常であると判定される。一方、ステップＳ１０４で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進んで、仮劣化判定がなされる。仮劣化判定は、ＮＯx触媒４が劣化
している可能性が高いときになされる判定である。すなわち、通常のリッチスパイク制御時には、図１１に示したように、正常なＮＯx触媒４と劣化しているＮＯx触媒４との温度の差が比較的小さいため、このときの温度のみで劣化判定を行うと精度が低くなる虞がある。このため本実施例では、ステップＳ１０４において否定判定がなされても、すぐには劣化と確定せずに仮に判定している。

ステップＳ１０７では、劣化判定用のリッチスパイク制御を実行する条件が成立しているか否か判定される。本ステップでは、ステップＳ１０２と同様の判定がなされる。ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７を再度実行する。すなわち、劣化判定用のリッチスパイク制御を実行する条件が成立するまで、ステップＳ１０７が繰り返し実行される。

ステップＳ１０８では、劣化判定用のリッチスパイク制御が実行される。すなわち、目標となる空燃比を１３．５以上で且つ１４以下に設定してリッチスパイク制御が行われる。

ステップＳ１０９では、ＮＯx触媒４の最高温度と、通常のリッチスパイク制御開始時
のＮＯx触媒４の温度と、の差、すなわち温度上昇量ΔＴが閾値以上であるか否か判定さ
れる。閾値は、正常なＮＯx触媒４における温度上昇量ΔＴの下限値とすることができる
。また、閾値は、ＮＯx触媒４が正常と劣化との境にあるときの温度上昇量ΔＴとしても
よい。この閾値は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶しておく。また、閾値は、誤差等を考慮してある程度余裕を持たせて決定してもよい。なお、ステップＳ１０４における閾値と、ステップＳ１０９における閾値とは、同じ値であってもよく、異なる値であってもよい。

ステップＳ１０９で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進んで、仮劣化判定がクリアされる。その後、ステップＳ１１１へ進み、ＮＯx触媒４は正常であると判定
される。一方、ステップＳ１０９で否定判定がなされた場合にはステップＳ１１２へ進んで、ＮＯx触媒４が劣化していると判定される。なお、本実施例ではステップＳ１０９以
降を処理するＥＣＵ１０が、本発明における判定装置に相当する。

なお、本実施例では、通常のリッチスパイク制御を実行して仮判定を行っているが、この仮判定は行わなくても良い。そうすると、ステップＳ１０２からステップＳ１０６を省略することができる。すなわち、劣化判定用のリッチスパイク制御のときの検出値のみに基づいて劣化判定を行うこともできる。

また、ステップＳ１０４またはステップＳ１０９では、ＮＯx触媒４が正常であると仮
定したときに推定されるＮＯx触媒４の温度と、温度センサ６により検出されるＮＯx触媒４の温度と、の差ΔＴ（以下、温度差ΔＴともいう。）が、閾値以下であるか否か判定してもよい。推定されるＮＯx触媒４の温度は、ＮＯx触媒４が新品時の温度としもよい。また、ＮＯx触媒４の劣化の度合いが許容範囲の限度なっているときの温度としてもよい。
さらに、任意の劣化度合いのときの温度としてもよい。ＮＯx触媒４の温度の推定値は、
内燃機関１の運転状態及び還元剤量に基づいて算出することができる。なお、周知の技術によりＮＯx触媒４の温度を推定してもよい。そして、これらの推定される温度によって
閾値を変えてもよい。閾値は、正常なＮＯx触媒４における温度差ΔＴの上限値とするこ
とができる。また、閾値は、ＮＯx触媒４が正常と劣化との境にあるときの温度差ΔＴと
してもよい。この閾値は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶しておく。また、閾値は、誤差等を考慮してある程度余裕を持たせて決定してもよい。なお、ステップＳ１０４における閾値と、ステップＳ１０９における閾値とは、同じ値であってもよく、異なる値であってもよい。ここで、推定される温度との差が小さければ、ＮＯx触媒４の温度が
十分に高いために、ＮＯx触媒４は正常であると判定することができる。

また、ステップＳ１０４またはステップＳ１０９では、温度センサ６により検出されるＮＯx触媒４の温度と、ＮＯx触媒４が劣化していると仮定したときに推定されるＮＯx触
媒４の温度と、の差が、閾値以上であるか否か判定してもよい。この場合の推定されるＮＯx触媒４の温度は、ＮＯx触媒４の劣化の度合いが許容範囲を超えたときの温度としてもよい。さらに、任意の劣化度合いのときの温度としてもよい。ＮＯx触媒４の温度の推定
値は、内燃機関１の運転状態及び還元剤量に基づいて算出することができる。なお、周知の技術によりＮＯx触媒４の温度を推定してもよい。そして、これらの推定される温度に
よって閾値を変えてもよい。閾値は、正常なＮＯx触媒４における温度差の下限値とする
ことができる。また、閾値は、ＮＯx触媒４が正常と劣化との境にあるときの温度差とし
てもよい。この閾値は、予め実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶しておく。また、閾値は、誤差等を考慮してある程度余裕を持たせて決定してもよい。ここで、検出される温度と推定される温度との差が大きければ、ＮＯx触媒４の温度が十分に高いために、ＮＯx触媒４は正常であると判定することができる。

また、本実施例では、還元剤供給時のＮＯx触媒４の最高温度と閾値とを比較して劣化
判定を行ってもよい。すなわち、図４，５に示されるように、還元剤供給時のＮＯx触媒
４の温度は、劣化の度合いに応じて低くなるため、正常なＮＯx触媒４の最高温度の下限
値として閾値を設定しておけば、該最高温度が閾値以上のときにＮＯx触媒４は正常であ
ると判定することができる。なお、ＮＯx触媒４の最高温度は、リッチスパイク制御の開
始時におけるＮＯx触媒４の温度の影響を受けるため、該リッチスパイク制御開始時のＮ
Ｏx触媒４の温度が所定範囲のときに劣化判定を行ってもよい。

このようにして、少なくとも空燃比を１３．５から１４までの間のとなるように還元剤を供給したときのＮＯx触媒４の温度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことができる。このときには、正常なＮＯx触媒４と劣化しているＮＯx触媒４とで温度上昇量の差や最高温度の差が大きいため、劣化判定をより正確に行うことができる。

なお、本実施例では、劣化判定用のリッチスパイク制御時のＮＯx触媒４の温度上昇量
が小さいほど、ＮＯx触媒４の劣化の度合いが高いと判定してもよい。また、劣化判定用
のリッチスパイク制御時のＮＯx触媒４の最高温度が低いほど、ＮＯx触媒４の劣化の度合いが高いと判定してもよい。

１内燃機関
２排気通路
４吸蔵還元型ＮＯx触媒
５噴射弁
８下流側ＮＯxセンサ
９温度センサ
１０ＥＣＵ
１１アクセルペダル
１２アクセル開度センサ
１３クランクポジションセンサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられてＮＯxを吸蔵し、吸蔵していたＮＯxを還元剤の供給により還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を判定する触媒劣化判定システムにおいて、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給することで該吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒の温度を検出する温度検出装置と、
前記供給装置から還元剤を供給するときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の
空燃比が１４以下となるように還元剤量を調節する制御装置と、
前記制御装置により前記吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の空燃比を１４以下とし
たときの前記温度検出装置により検出される温度の上昇量が閾値未満の場合に前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は劣化していると判定し、該温度の上昇量が閾値以上の場合に前記吸蔵還
元型ＮＯx触媒は正常であると判定する判定装置と、
を備える触媒劣化判定システム。
前記制御装置は、還元剤の供給時に排気の空燃比を１３．５以上で且つ１４以下とする請求項１に記載の触媒劣化判定システム。
前記判定装置は、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されているときに還元剤を供給し、そのときの前記温度の上昇量に基づいて判定を行う請求項１または２に記載の触媒劣化判定システム。