JP2016079856A - 内燃機関の排気浄化装置の異常判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を備えている場合において、夫々の触媒の異常判定をコストアップを抑制しつつ、より正確に行う。
【解決手段】リッチスパイク時にＮＳＲ触媒から流出するアンモニアによってＮＳＲ触媒のＮＯｘ浄化率が変化しない範囲で且つＳＣＲ触媒からアンモニアが流出しない範囲にＳＣＲ触媒のアンモニア吸着量を調整し、ＮＳＲ触媒においてＮＯｘが飽和するまでＮＯｘを吸蔵させた状態で算出されるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率をＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とし、その後、リッチスパイク時に算出されるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率と、に基づいて、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ浄化率を算出する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置の異常判定システムに関する。

内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）を配置する技術が知られている。このＮＳＲ触媒は、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。

また、ＮＳＲ触媒よりも下流側に、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を設けることができる。このＳＣＲ触媒は、還元剤によりＮＯｘを選択還元する触媒である。ここで、ＮＳＲ触媒において排気中のＨＣやＨ_２がＮＯｘと反応することでアンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒において還元剤として利用される。

ここで、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒とを有する排気浄化装置において、車両の走行距離が閾値以上の場合にＳＣＲ触媒が劣化した、すなわち異常が生じたと判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１２−１７２５４５号公報 特開２００７−１６２４６８号公報

しかし、車両の走行距離が同じであっても内燃機関がどのように運転されたかによってＳＣＲ触媒の劣化の状態が異なる。このため、走行距離に基づいたＳＣＲ触媒の異常判定では、判定精度が低くなる虞がある。

ここで、ＳＣＲ触媒よりも下流の排気通路にＮＯｘセンサを設け、該ＮＯｘセンサの検出値に基づいてＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の異常を判定することが考えられる。しかし、どちらの触媒が異常であっても同程度にＳＣＲ触媒からＮＯｘが流出し得るため、ＮＯｘセンサの検出値のみを用いて触媒の異常を判定することは困難である。

また、一方の触媒のみが活性化している場合に触媒の異常判定を行うことにより、どちらの触媒が異常であるのか判定することも考えられるが、一方の触媒のみが活性している運転状態とならなければ、触媒の異常を判定することができない。

さらに、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の夫々の下流の排気通路にＮＯｘセンサを設けることにより、夫々のＮＯｘセンサの検出値に基づいて触媒の異常を判定することができるが、ＮＯｘセンサを複数取り付けることによりコストアップする。また、ＮＯｘセンサを複数取り付けることが困難な場合もある。

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、その目的は、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を備えている場合において、夫々の触媒の異常判定をコストアップを抑制しつつ、より正確に行うことにある。

上記課題を達成するために本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いときにＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを排気の空燃比が理論空燃比以下のときに還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、還元剤により排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に設けられ前記選択還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤添加弁と、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも高い空燃比と理論空燃比以下とで変動させる空燃比制御部と、を備えた内燃機関に備わる排気装置における異常判定システムにおいて、前記空燃比制御部により空燃比を低下させたときに前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から流出するアンモニアによって前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が変化しない範囲で且つ前記選択還元型ＮＯｘ触媒からアンモニアが流出しない範囲に前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されている還元剤の量を調整すると共に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒においてＮＯｘが飽和するまで該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵させた状態で、前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて算出される前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒を合わせたシステム全体としてのＮＯｘ浄化率を前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率として算出し、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を算出した後、前記空燃比制御部により前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を低下させているときに前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて算出される前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒を合わせたシステム全体としてのＮＯｘ浄化率と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率と、に基づいて、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を算出し、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であるか否かを判定し、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が異常であるか否かを判定する判定部を備える。

ここで、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を求めたときに、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）におけるＮＯｘ浄化率が０であれば、システム全体としてのＮＯｘ浄化率と、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）のＮＯｘ浄化率と、が等しいと考えることができる。なお、システム全体のＮＯｘ浄化率とは、ＮＳＲ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度に対する、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒においてＮＯｘが還元されることによるＮＯｘ濃度の低下分の比であり、ＮＳＲ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサの検出値と、に基づいて算出することができる。ＮＳＲ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度は、例えば、内燃機関の運転状態に基づいて推定するか、または、ＮＳＲ触媒よりも上流にＮＯｘ濃度を検出するセンサを設けることにより求めることができる。

ここで、ＮＳＲ触媒は、ＮＯｘを吸蔵しておき、その後に空燃比制御部によって空燃比が低下されたときにＮＯｘを還元する。したがって、ＮＳＲ触媒においてＮＯｘが飽和しており、且つ、空燃比を低下させていなければ、ＮＳＲ触媒は、ＮＯｘの吸蔵も還元もできない。このときには、ＮＳＲ触媒はシステム全体としてのＮＯｘ浄化率に影響を与えないため、このときに算出されるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とすることができる。

次に、空燃比制御部により空燃比を変動させているとき、すなわち、ＮＳＲ触媒においてもＮＯｘの還元が可能なときにシステム全体としてのＮＯｘ浄化率を求める。このときには、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の夫々においてＮＯｘを浄化することができるため、このときのシステム全体のＮＯｘ浄化率は、２つの触媒を合わせたＮＯｘ浄化率である。ここで、先にＳＣＲ触媒のみのＮＯｘ浄化率を求めているため、該ＳＣＲ触媒のみのＮＯｘ浄化率と、システム全体としてのＮＯｘ浄化率と、に基づいて、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ浄化
率を求めることができる。

ところで、空燃比制御部により排気の空燃比が理論空燃比以下まで低下されると、ＮＳＲ触媒においてアンモニアが生成されて該ＮＳＲ触媒からアンモニアが流出することがある。ここで、ＳＣＲ触媒では、アンモニアの吸着量が比較的少ない場合には、アンモニアの吸着量の増加によってＮＯｘ浄化率が上昇する。したがって、ＮＳＲ触媒からＳＣＲ触媒へアンモニアが供給されることにより、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が変化する虞がある。そうすると、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ浄化率を算出するときに、ＳＣＲ触媒の実際のＮＯｘ浄化率と、先に算出されたＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率と、に差が生じてしまい、ＮＳＲ触媒のＮＯｘ浄化率を正確に求めることが困難となる。そこで、ＳＣＲ触媒におけるアンモニアの吸着量を、アンモニア吸着量が多少変化したとしてもＮＯｘ浄化率が変動せず、かつ、ＮＳＲ触媒からアンモニアが流出した分を吸着できる状態に調整している。

このようにして、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の夫々について異常判定を実施することができる。また、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒との間にＮＯｘセンサを設ける必要もない。

本発明によれば、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を備えている場合において、夫々の触媒の異常判定をコストアップを抑制しつつ、より正確に行うことができる。

実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 ＳＣＲ触媒におけるアンモニア吸着量と、ＮＯｘ浄化率及びＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量と、の関係を示した図である。 実施例に係る異常判定を実施しているときのＮＯｘ濃度及びＮＳＲ触媒から流出する排気中のアンモニア濃度の推移を示したタイムチャートである。 実施例に係る異常判定制御のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

＜実施例＞
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、ディーゼル機関であるが、ガソリン機関であってもよい。内燃機関１は、たとえば車両に搭載される。

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、上流側から順に、燃料添加弁３、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４（以下、ＮＳＲ触媒４という。）、還元剤添加弁５、選択還元型ＮＯｘ触媒６（以下、ＳＣＲ触媒６という。）が備えられている。

ＮＳＲ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。なお、「吸蔵」とは、一時的なＮＯｘの吸着をも含む用語として使用している。

燃料添加弁３は、排気中に内燃機関１の燃料（ＨＣ）を噴射する。この燃料は、ＮＳＲ
触媒４においてＮＯｘを還元する還元剤として利用される。なお、ＮＳＲ触媒４に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することもできる。すなわち、内燃機関１をリッチ空燃比で運転することにより、ＮＳＲ触媒４へ還元剤を供給することもできる。この場合には、燃料添加弁３を備える必要はない。

ＳＣＲ触媒６は、アンモニアを吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していたアンモニアによりＮＯｘを選択還元する。還元剤添加弁５は、アンモニアを噴射することで、ＳＣＲ触媒６に還元剤を供給する。なお、還元剤添加弁５は、尿素水を噴射してもよい。還元剤添加弁５から噴射された尿素水は、排気の熱またはＳＣＲ触媒６からの熱により加水分解されてアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒６に吸着する。すなわち、還元剤添加弁５からは、アンモニアの前駆体、または、アンモニアを供給すればよい。なお、本実施例においては、還元剤添加弁５からアンモニアを供給するものとして説明する。

また、ＮＳＲ触媒４よりも下流で且つ還元剤添加弁５よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する温度センサ１１が取り付けられている。温度センサ１１の検出値に基づいて、ＮＳＲ触媒４の温度又はＳＣＲ触媒６の温度を算出することができる。また、温度センサ１１の検出値をＮＳＲ触媒４又はＳＣＲ触媒６の温度としてもよい。また、内燃機関１の運転状態に基づいて、ＮＳＲ触媒４又はＳＣＲ触媒６の温度を推定することもできる。また、ＳＣＲ触媒６よりも下流の排気通路には、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１２が取り付けられている。ＮＯｘセンサ１２により、ＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度が検出される。なお、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度は、内燃機関１の運転状態と関連しているため、内燃機関１の運転状態に基づいてＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度を推定することができる。

また、内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給する燃料噴射弁７が取り付けられている。また、内燃機関１には、吸気通路８が接続されている。吸気通路８の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル９が設けられている。また、スロットル９よりも上流の吸気通路８には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１５が取り付けられている。

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。ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６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１７、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１８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。一方、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁３、還元剤添加弁５、燃料噴射弁７及びスロットル９が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

例えばＥＣＵ１０は、気筒内の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁７を制御する。この目標空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。なお、本実施例に係る内燃機関１は、通常はリーン空燃比で運転されている。ただし、高負荷運転時などにおいて、理論空燃比近傍で内燃機関１が運転されることもある。また、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘを還元するために理論空燃比以下で運転することもある。

ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘを還元する処理を実施する。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘを還元する時には、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁３から添加する燃料の量を調整することにより、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。なお、ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁７から噴射する燃料の量またはスロットル９の開度を調整することにより、ＮＳＲ触
媒４に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させることでリッチスパイクを実施してもよい。なお、本実施例においてはリッチスパイクを実施するＥＣＵ１０が、本発明における空燃比制御部に相当する。

リッチスパイクは、通常、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量が規定量となったときに、その規定量のＮＯｘを還元できるように実施される。通常とは、後述する触媒の異常判定制御を実施していないときとしてもよい。ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量は、内燃機関１から単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量を積算することにより推定することができる。このときには、ＮＳＲ触媒４が正常であると仮定した推定が行われる。内燃機関１から単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量は、内燃機関１の運転状態と関連しているため、該内燃機関１の運転状態に基づいて推定する。なお、ＮＳＲ触媒４よりも上流の排気通路２にＮＯｘ濃度を検出するセンサを設け、該センサにより検出されるＮＯｘ濃度と、エアフローメータ１５により検出される吸入空気量と、に基づいて、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量を算出することもできる。ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量と、リッチスパイクを実施する期間と、の関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

さらに、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒６を通過する排気中のＮＯｘを還元する処理を実施する。ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒６を通過する排気中のＮＯｘを還元する時に、還元剤添加弁５からアンモニアを添加することで、ＳＣＲ触媒６に還元剤を供給する。

還元剤添加弁５からのアンモニアの添加量は、通常、ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量に応じて決定される。ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量は、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量に等しい。したがって、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率と、に基づいてＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量を求め、この値をＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量とすることができる。ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率は、ＮＳＲ触媒４が正常であると仮定して推定する。還元剤添加弁５からのアンモニアの添加は、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアの吸着量が一定となるように実施される。このアンモニア吸着量は、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が許容範囲となり、且つ、ＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出しないような量である。ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量に基づいて、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアの吸着量の減少量を算出することができるため、このアンモニアの吸着量の減少量を補うように、還元剤添加弁５からアンモニアを添加する。なお、このときのアンモニアの吸着量は、ＳＣＲ触媒６が正常であると仮定したときの値である。また、リッチスパイクを実施することによりＮＳＲ触媒４からアンモニアが流出することがある。このアンモニアもＳＣＲ触媒６に吸着されるため、リッチスパイク時にはＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が増加する。この増加量は、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。

また、ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサ１２により検出されるＮＯｘ濃度と、に基づいて、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒６を合わせたシステム全体としてのＮＯｘ浄化率を算出する。システム全体としてのＮＯｘ浄化率は、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度に対する、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒６でＮＯｘが還元されることにより減少するＮＯｘ濃度の比であり、以下の式により算出することができる。
ＮＯｘ浄化率＝（上流側ＮＯｘ濃度−下流側ＮＯｘ濃度）／上流側ＮＯｘ濃度
ただし、上流側ＮＯｘ濃度は、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度であり、下流側ＮＯｘ濃度は、ＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度である。

そして、ＥＣＵ１０は、上記のように算出されるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率に基づいて、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒６の夫々について異常判定を実施する。なお、Ｎ
ＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒６以外には異常がないことを予め周知の技術により確認しておいてもよい。ここで、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を求めたときにＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率が０であれば、システム全体としてのＮＯｘ浄化率と、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率と、が等しいと考えることができる。

したがって、先ずは、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率が０となる状態とし、この時のシステム全体としてのＮＯｘ浄化率を求める。ここで、ＮＳＲ触媒４は、ＮＯｘを吸蔵しておき、その後にリッチスパイクが実施されるとＮＯｘを還元する。したがって、ＮＳＲ触媒４においてＮＯｘが飽和しており、且つ、リッチスパイクを実施していなければ、ＮＳＲ触媒４においてＮＯｘを吸蔵することもできなければ、還元することもできない。すなわち、この状態ではＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率が０となる。したがって、この状態で算出されるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒６のみのＮＯｘ浄化率を示すことになる。ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４においてＮＯｘが飽和するまでリッチスパイクを停止させる。ＥＣＵ１０は、上記のようにＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量を逐次推定しているため、このＮＯｘ吸蔵量がＮＳＲ触媒４において最大限吸蔵可能なＮＯｘ量に達した時に、ＮＳＲ触媒４においてＮＯｘが飽和したと判定することができる。

このようにして、ＳＣＲ触媒４のＮＯｘ浄化率を算出した後に、リッチスパイクを実施し、このときのシステム全体としてのＮＯｘ浄化率を求める。リッチスパイクを実施することにより、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘが還元される。このときには、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒６の夫々においてＮＯｘを浄化することができるため、このときのシステム全体のＮＯｘ浄化率は、２つの触媒を合わせたＮＯｘ浄化率となる。ここで、先にＳＣＲ触媒６のみのＮＯｘ浄化率を求めているため、該ＳＣＲ触媒６のみのＮＯｘ浄化率と、システム全体としてのＮＯｘ浄化率と、に基づいて、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率を求めることができる。

ここで、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度（上流側ＮＯｘ濃度）と、ＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度（下流側ＮＯｘ濃度）と、の間には以下の関係がある。
上流側ＮＯｘ濃度・（１−ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率／１００）・（１−ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率／１００）＝下流側ＮＯｘ濃度
したがって、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率は、以下のようにして算出することができる。
ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率＝１００−（１００００・下流側ＮＯｘ濃度）／（上流側ＮＯｘ濃度・（１００−ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ濃度））

ところで、リッチスパイクが実施されると、ＮＳＲ触媒４においてアンモニアが生成されて該ＮＳＲ触媒４からアンモニアが流出することがある。ここで、図２は、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニア吸着量と、ＮＯｘ浄化率及びＳＣＲ触媒６から流出するアンモニア量と、の関係を示した図である。ＳＣＲ触媒６では、アンモニアの吸着量が比較的少ない状態において、アンモニアの吸着量が増加するほど、ＮＯｘ浄化率が上昇する。したがって、触媒の異常判定を実施しているときに、ＮＳＲ触媒４からＳＣＲ触媒６へアンモニアが供給されることにより、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が変化する虞がある。そうすると、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率を算出するときに、ＳＣＲ触媒６の実際のＮＯｘ浄化率と、先に算出されたＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率と、に差が生じてしまい、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率を正確に求めることが困難となる。

一方、図２に示されるように、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアの吸着量が比較的多い場合には、アンモニア吸着量が多少変化したとしても、ＮＯｘ浄化率はほとんど変化しない。そこで、ＥＣＵ１０は、異常判定を実施するときには、リッチスパイク時にＮＳＲ触
媒４から流出するアンモニアによってＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が変化しない範囲に、該ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量を調整する。リッチスパイクを実施してもＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が変化しないようにすることで、リッチスパイクを実施したときのＳＣＲ触媒４のＮＯｘ浄化率と、先に求めたＳＣＲ触媒４のＮＯｘ浄化率と、が同じになるため、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率の算出精度が向上する。

しかし、図２に示されるように、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が多くなりすぎると、リッチスパイクを実施したときにアンモニアを吸着し切れなくなり、ＳＣＲ触媒６からのアンモニア流出量が増加する。ＮＯｘセンサ１２はアンモニアも検出するため、ＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出すると、ＮＯｘセンサ１２の検出値に基づいて算出されるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率が、見かけ上、減少する。このＮＯｘ浄化率に基づいてＮＳＲ触媒４の異常判定を実施すると誤判定の虞がある。そこで、ＥＣＵ１０は、異常判定を実施するときには、リッチスパイク時にＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出しない範囲に、該ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量を調整している。

したがって、触媒の異常判定を実施するときには、リッチスパイク時にＮＳＲ触媒４から流出するアンモニアによってＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が変化しない範囲で、且つ、リッチスパイク時にＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出しない範囲となるように、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量を調整している。この範囲は、図２において「目標範囲」として示される。

ここで、図３は、本実施例に係る異常判定を実施しているときのＮＯｘ濃度及びＮＳＲ触媒４から流出する排気中のアンモニア濃度の推移を示したタイムチャートである。ＮＯｘ濃度における実線はＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度であり、一点鎖線はＮＳＲ触媒４から流出する排気中のＮＯｘ濃度であり、二点鎖線はＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度である。Ｔ１の時点で異常判定制御が開始される。また、Ｔ１からＴ２までの期間はＳＣＲ触媒６の異常判定を実施する期間であり、Ｔ２からＴ３までの期間はＮＳＲ触媒４の異常判定を実施する期間である。

ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度（実線）は一定である。Ｔ１からリッチスパイクが停止されるため、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ吸蔵量が増加していく。このため、ＮＳＲ触媒４において吸蔵しきれないＮＯｘが徐々に増加するので、ＮＳＲ触媒４から流出する排気中のＮＯｘ濃度（一点鎖線）が上昇する。また、Ｔ１からＴ２までの期間では、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が増加してもＮＯｘ浄化率が変化しないように、且つ、リッチスパイクを行った場合にＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出しないように、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が調整される。このときには、還元剤添加弁５からのアンモニア添加量を排気中のＮＯｘ濃度に応じた量よりも増加させることにより、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量を速やかに増加させてもよい。Ｔ１からＴ２までの期間では、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率の低下により、ＳＣＲ触媒６に多くのＮＯｘが流入するので、該ＳＣＲ触媒６が例え正常であったとしても、該ＳＣＲ触媒６からＮＯｘが流出し得る。例えば、ＮＯｘセンサ１２の検出値が変化しなくなるまで還元剤添加弁５からアンモニアを添加化することにより、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニア吸着量が、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が増加してもＮＯｘ浄化率が変化しない範囲で、且つ、リッチスパイク時にＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出しない範囲となる。このようにして、アンモニア吸着量を調整することにより、例えＳＣＲ触媒６の劣化が進行して吸着可能なアンモニア量が減少していたとしても、アンモニア吸着量を目標範囲に収めることができる。Ｔ２の時点においては、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度（実線）と、ＮＳＲ触媒４から流出する排気中のＮＯｘ濃度（一点鎖線）と、が等しく、このためＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率は０であるため、Ｔ２の時点におけるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒６のみのＮＯｘ浄化率であると考えることができる。そして、このＮＯｘ浄化率が
、正常といえるＮＯｘ浄化率よりも低ければ、ＳＣＲ触媒６が異常であると判定される。

そして、Ｔ２の時点からリッチスパイクが開始される。リッチスパイクによりＮＳＲ触媒４によりＮＯｘが還元されるため、該ＮＳＲ触媒４から流出する排気中のＮＯｘ濃度が低下していく。これにより、ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘの量も減少するので、ＳＣＲ触媒６から流出するＮＯｘの量も減少する。ここで、リッチスパイクを実施することにより、ＮＳＲ触媒４からアンモニアが流出するため、Ｔ２よりも後で、ＮＳＲ触媒４よりも下流の排気中のアンモニア濃度が一時的に上昇するが、このアンモニアがＳＣＲ触媒６に流入することによっては、該ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率は変化しない。すなわち、ＳＣＲ触媒６から流出するＮＯｘの量は、ＮＳＲ触媒４から流出するアンモニアによっては変化しない。Ｔ２からＴ３までの期間では、ＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度が減少しているが、これは、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘの量が減少したためであり、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率は変化していない。Ｔ２からＴ３までの期間でシステム全体としてのＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘセンサの検出値に基づいて算出することができる。そして、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率も分かっているため、システム全体のＮＯｘ浄化率及びＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率に基づいて、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率を求めることができる。そして、このＮＯｘ浄化率が、正常といえるＮＯｘ浄化率よりも低ければ、ＮＳＲ触媒４が異常であると判定される。Ｔ３において異常判定制御が終了する。

図４は、本実施例に係る異常判定制御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により規定の時間毎に実行される。なお、本実施例においては図４に示したフローチャートを実行するＥＣＵ１０が、本発明における判定部に相当する。

ステップＳ１０１では、異常判定制御を実施する前提条件が成立しているか否か判定される。本ステップＳ１０１では、ＮＳＲ触媒４の温度及びＳＣＲ触媒６の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度であるか否か判定される。また、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒６以外の装置や還元剤が正常であることも合わせて判定してもよい。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、一方、否定判定がなされた場合には本フローチャートを終了させる。

ステップＳ１０２では、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニア吸着量が、ＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が増加してもＮＯｘ浄化率が変化しない範囲で、且つ、リッチスパイク時にＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出しない範囲となるように調整される。ステップＳ１０２の処理が終了するとステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、ＮＳＲ触媒４においてＮＯｘを飽和させる。すなわち、ＮＳＲ触媒４が最大限吸蔵可能なＮＯｘ量となるまで、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ吸蔵量を増加させる。本ステップＳ１０３以降では、リッチスパイクが停止される。ステップＳ１０３の処理が終了するとステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が算出される。このときには、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率が０となっているため、ＮＯｘセンサ１２の検出値及び内燃機関１からの排気中のＮＯｘ濃度に基づいて算出されるシステム全体としてのＮＯｘ浄化率が、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率となる。ステップＳ１０４の処理が終了すると、ステップＳ１０５へ進む。

ステップＳ１０５では、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が閾値以上であるか否か判定される。ここでいう閾値は、正常といえるＮＯｘ浄化率の下限値である。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０６へ進んでＳＣＲ触媒６が正常であると判定される。一方、ステップＳ１０５で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０７へ
進んでＳＣＲ触媒６が異常であると判定される。ステップＳ１０６またはステップＳ１０７の処理が終了するとステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０８では、リッチスパイクが実施される。すなわち、ステップＳ１０３で停止されたリッチスパイクが再開される。これにより、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率が上昇し得る。ステップＳ１０８の処理が終了するとステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０９では、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率が算出される。現時点のシステム全体としてのＮＯｘ浄化率と、ステップＳ１０４で算出されたＮＯｘ浄化率と、からＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率が算出される。ステップＳ１０９の処理が終了するとステップＳ１１０へ進む。

ステップＳ１１０では、ＮＳＲ触媒４のＮＯｘ浄化率が閾値以上であるか否か判定される。ここでいう閾値は、正常といえるＮＯｘ浄化率の下限値である。ステップＳ１１０で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１１１へ進んでＮＳＲ触媒４が正常であると判定される。一方、ステップＳ１１０で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１１２へ進んでＮＳＲ触媒４が異常であると判定される。ステップＳ１１１またはステップＳ１１２の処理が終了すると本フローチャートを終了させる。

なお、本実施例では、ステップＳ１０２においてＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量を調整しているが、リッチスパイク実施時にＮＯｘセンサ１２の検出値が増加した場合には、ＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出していると考えられる。このような場合には、異常判定を再度実施してもよい。異常判定を再度実施するときにはステップＳ１０２においてアンモニア吸着量を調整するときに、ＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出した時よりもアンモニアの添加量を減量させてもよい。アンモニアの添加量を減量させるときには、所定量減量させてもよく、ＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出した時のＮＯｘセンサ１２の検出値の増加量に応じて減量してもよい。

以上説明したように本実施例によれば、ＮＯｘセンサ１２の検出値を用いて、ＮＳＲ触媒４及びＳＣＲ触媒６の異常判定を実施することができるため、複数のＮＯｘセンサを設ける必要がない。このため、コストアップを抑制することができる。また、少なくともＳＣＲ触媒６の浄化能力を低下させることなく異常判定を実施することができるため、異常判定中にＳＣＲ触媒６からＮＯｘが流出することを抑制できる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 燃料添加弁
４ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）
５ 還元剤添加弁
６ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
７ 燃料噴射弁
８ 吸気通路
９ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 温度センサ
１２ ＮＯｘセンサ
１５ エアフローメータ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いときにＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを排気の空燃比が理論空燃比以下のときに還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、還元剤により排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に設けられ前記選択還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤添加弁と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも高い空燃比と理論空燃比以下とで変動させる空燃比制御部と、
   を備えた内燃機関に備わる排気装置における異常判定システムにおいて、
   前記空燃比制御部により空燃比を低下させたときに前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒から流出するアンモニアによって前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が変化しない範囲で且つ前記選択還元型ＮＯｘ触媒からアンモニアが流出しない範囲に前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されている還元剤の量を調整すると共に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒においてＮＯｘが飽和するまで該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵させた状態で、前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて算出される前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒を合わせたシステム全体としてのＮＯｘ浄化率を前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率として算出し、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を算出した後、前記空燃比制御部により前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を低下させているときに前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて算出される前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒を合わせたシステム全体としてのＮＯｘ浄化率と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率と、に基づいて、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率を算出し、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であるか否かを判定し、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率に基づいて前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が異常であるか否かを判定する判定部を備える内燃機関の排気浄化装置の異常判定システム。

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