JP2016125390A - 排気浄化装置の劣化診断装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、SCR触媒を具備する排気浄化装置へ流入する排気の空燃比を測定するセンサと該排気浄化装置から流出する排気の空燃比を測定するセンサとを利用して、選択還元型触媒の劣化を精度良く診断することを課題とする。【解決手段】本発明は、内燃機関から排出される排気の空燃比をリーン空燃比から所定のリッチ空燃比へ変更することで、SCR触媒より上流に配置された触媒において水性ガスシフト反応を誘発させる処理である誘発処理が実行されている期間に、SCR触媒へ流入する排気の空燃比とSCR触媒から流出する排気の空燃比とをそれぞれ空燃比センサによって測定し、それらセンサの測定値に基づいてSCR触媒の劣化を診断する排気浄化装置の劣化診断装置において、SCR触媒のNH3吸着量が所定量以下であるときに誘発処理が実行されるようにした。【選択図】図5

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を診断する技術に関し、特に選択還元型触媒(SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒)を具備する排
気浄化装置の劣化を診断する技術に関する。
内燃機関の排気通路に配置される排気浄化装置の劣化を診断する方法として、排気浄化装置より上流の排気通路、及び排気浄化装置より下流の排気通路のそれぞれに配置される空燃比センサ(又は酸素濃度センサ)の測定値を利用する方法が知られている。具体的には、排気浄化装置へ流入する排気の空燃比を理論空燃比より高いリーン空燃比から理論空燃比より低いリッチ空燃比へ変更した際の上記した2カ所のセンサの出力差(以下、「センサ出力差」と称する)から排気浄化装置が吸蔵することができる酸素(O)の量(以下、「酸素吸蔵容量」と称する)を求め、その酸素吸蔵容量に基づいて排気浄化装置の劣化を診断する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2012−241652号公報 特開2012−035615号公報
上記した従来の技術は、三元触媒を具備した排気浄化装置を対象としたものであるが、SCR触媒も三元触媒と同様に酸素吸蔵能を有するため、上記した従来技術と同様の方法によりSCR触媒の劣化を診断する方法が考えられる。しかしながら、SCR触媒の酸素吸蔵容量は、三元触媒の酸素吸蔵容量より少ないため、SCR触媒が劣化していない正常な状態にある場合であってもセンサ出力差が小さくなる。そのため、排気の空燃比を測定するためのセンサの測定値に誤差が含まれていると、センサ出力差からSCR触媒の酸素吸蔵容量を正確に求めることができず、診断精度が低下する可能性がある。
これに対し、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更することにより、混合気の燃焼時に発生する一酸化炭素(CO)と水(HO)との水性ガスシフト反応を生起させ、又はSCR触媒より上流に配置される三元触媒や吸蔵還元型触(NSR(NOX Storage Reduction)触媒)において一酸化炭素と水との水性ガス
シフト反応を生起させることで、SCR触媒が正常であるときのセンサ出力差とSCR触媒が劣化しているときのセンサ出力差との差を拡大させる方法が考えられる。
ところで、上記したような方法により水性ガスシフト反応が生起された際に、SCR触媒で酸化される水素(H)の量、及びSCR触媒から脱離する酸素の量は、SCR触媒に吸着又は吸蔵されているアンモニア(NH)の量(以下、「NH吸着量」と称する)に応じてばらつく可能性がある。例えば、NH吸着量が多い場合は少ない場合に比べ、SCR触媒から脱離する酸素の量、及びSCR触媒で酸化される水素の量が少なくなる。そのため、NH吸着量が比較的多いときに上記した方法による劣化診断が行われると、SCR触媒が正常であっても、センサ出力差が小さくなるため、SCR触媒が劣化していると誤診断される可能性がある。
本発明は、上記したような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、SCR触媒
を具備する排気浄化装置へ流入する排気の空燃比を測定するセンサと該排気浄化装置から流出する排気の空燃比を測定するセンサとを利用して、SCR触媒の劣化を精度良く診断することができる技術の提供にある。
本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であるときに、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更する処理であって、混合気が燃焼する際に発生する一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応を生起させる処理である誘発処理を実行し、その誘発処理の実行時にSCR触媒へ流入する排気の空燃比とSCR触媒から流出する空燃比とをそれぞれ空燃比センサによって測定し、それらセンサの測定値の差に基づいてSCR触媒の劣化を診断する排気浄化装置の劣化診断装置において、SCR触媒に吸着されているアンモニアの量が所定の上限値以下であるときに、前記誘発処理を実行するようにした。
詳細には、本発明に係わる排気浄化装置の劣化診断装置は、希薄燃焼運転可能な内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として用いることで排気中のNOを還元する触媒であって、排気の空燃比が理論空燃比より高いリーン空燃比であるときは排気中の酸素を吸蔵し、且つ排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比であるときは吸蔵していた酸素を脱離させるSCR触媒を具備する排気浄化装置と、前記SCR触媒に吸着されているアンモニアの量であるNH吸着量を取得する取得手段と、前記SCR触媒へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第一空燃比センサと、前記SCR触媒から流出する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第二空燃比センサと、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるNH吸着量が所定の上限値以下であるときに、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更する処理であって、混合気の燃焼時に発生する一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応を誘発させる処理である誘発処理を実行する制御手段と、前記誘発処理の実行時における前記第一空燃比センサの測定値と前記第二空燃比センサの測定値との差に基づいて、前記SCR触媒の劣化を診断する診断手段と、を備えるようにした。
内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であるときは、排気浄化装置のSCR触媒へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比になるため、その排気中に含まれる酸素がSCR触媒に吸蔵される。SCR触媒が酸素を吸蔵した状態で誘発処理が実行されると、SCR触媒へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化するため、SCR触媒に吸蔵されていた酸素が該SCR触媒から脱離する。SCR触媒から脱離した酸素は、排気とともに該SCR触媒から流出する。そのため、SCR触媒から流出する排気の空燃比は、SCR触媒へ流入する排気の空燃比より高くなる。その結果、第一空燃比センサの測定値と第二空燃比センサの測定値との間には、SCR触媒から脱離した酸素の量に起因する差が生じる。
また、誘発処理が実行されているときは、リッチ空燃比の混合気が燃焼する際に発生する一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応が生起されるため、二酸化炭素(CO)と水素とが生成される。このようにして生成された水素は、排気とともに第一空燃比センサに到達する。その際、水素の拡散速度は他の排気成分より速いため、水素が第一空燃比センサのセンサ素子に先行到達し、センサ素子がリッチ雰囲気になる。その結果、第一空燃比センサの測定値は、実際の空燃比より低くなる(リッチずれ)。その後、前述の水性ガスシフト反応によって生成された水素がSCR触媒へ流入すると、SCR触媒によって水素が酸化させられるため、第二空燃比センサのリッチずれは第一空燃比センサより小さくなる。よって、第一空燃比センサの測定値と第二空燃比センサの測定値との間には、SCR触媒によって酸化される水素の量に起因する差も生じる。
したがって、誘発処理の実行時における第一空燃比センサの測定値と第二空燃比センサの測定値との差(センサ出力差)には、SCR触媒から脱離した酸素の量に起因する差とSCR触媒により酸化される水素の量に起因する差とが含まれることになる。
ここで、SCR触媒が劣化すると、それに応じてSCR触媒の酸素吸蔵能も劣化するため、SCR触媒の酸素吸蔵容量が小さくなる。よって、SCR触媒が劣化している場合は劣化していない場合に比べ、誘発処理の実行時にSCR触媒から脱離する酸素の量が少なくなる。その結果、センサ出力差が小さくなる。
また、SCR触媒が劣化している場合は劣化していない場合に比べ、SCR触媒によって酸化させられる水素の量が少なくなる。そのため、SCR触媒が劣化している場合は劣化していない場合に比べ、誘発処理の実行時に第二空燃比センサへ到達する水素の量が多くなり、それに伴って第二空燃比センサのリッチずれが大きくなる。その結果、センサ出力差が小さくなる。
よって、SCR触媒が劣化していない場合は、SCR触媒の酸素吸蔵能と水素酸化能との相乗効果によってセンサ出力差が大きくなるのに対し、SCR触媒が劣化している場合は、SCR触媒の酸素吸蔵能の低下と水素酸化能の低下との相乗効果によってセンサ出力差が小さくなる。そのため、誘発処理の実行時におけるセンサ出力差は、SCR触媒が劣化していない場合と劣化している場合とで大きく相違することになる。
SCR触媒が劣化していない場合のセンサ出力差とSCR触媒が劣化している場合のセンサ出力差との間に顕著な差が生じると、第一空燃比センサおよびまたは第二空燃比センサの測定値に誤差が含まれる場合であっても、その誤差の影響が小さくなるため、SCR触媒の劣化診断を精度良く行うことが可能になる。また、第一空燃比センサ及び第二空燃比センサとして空燃比センサや酸素濃度センサ等の既存のセンサを利用することができるため、NOセンサやNHセンサ等を利用する場合に比べ、劣化診断装置にかかるコストを低減することもできる。
ところで、誘発処理の実行時にSCR触媒に吸着されているアンモニアの量(NH吸着量)は、誘発処理が実行される度にばらつく可能性がある。誘発処理の実行時におけるNH吸着量がばらつくと、誘発処理の実行時にSCR触媒から脱離する酸素の量やSCR触媒で酸化される水素の量もばらつくため、それに応じてセンサ出力差にもばらつきが生じる。上記したようなNH吸着量のばらつきに起因するセンサ出力差のばらつきが生じると、SCR触媒が劣化していない場合のセンサ出力差とSCR触媒が劣化した状態にある場合のセンサ出力差との差が小さくなる可能性がある。その場合、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することが困難になる虞がある。
これに対し、本発明の制御手段は、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つSCR触媒のNH吸着量が所定の上限値以下であるときに、誘発処理を実行するようにした。ここでいう「所定の上限値」は、SCR触媒のNH吸着量が該上限値以下であれば、SCR触媒が劣化していない場合のセンサ出力差とSCR触媒が劣化している場合のセンサ出力差との間に顕著な差が生まれると考えられる値であり、劣化診断により検出すべきSCR触媒の劣化度合を考慮して決定される値である。
このように、SCR触媒のNH吸着量が前記所定の上限値以下であるときに誘発処理が実行されると、NH吸着量のばらつきに起因するセンサ出力差のばらつきに比して、SCR触媒が劣化していない場合のセンサ出力差とSCR触媒が劣化している場合のセンサ出力差との差が大きくなるため、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することができる
ここで、排気浄化装置は、排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中のNOを吸蔵し、且つ排気の空燃比が理論空燃比以下であるときにNOを脱離させる触媒であって、SCR触媒より上流に配置されるNSR触媒を更に備えるようにしてもよい。このような構成において、誘発処理が実行されると、内燃機関でリッチ空燃比の混合気が燃焼する際に水性ガスシフト反応が生起されるうえ、NSR触媒においても水性ガスシフト反応が生起されるため、誘発処理の実行時に生成される水素の量をより多くすることができる。その結果、SCR触媒が劣化していない場合のセンサ出力差とSCR触媒が劣化している場合のセンサ出力差との差をより大きくすることができる。
ところで、誘発処理の実行に伴って排気浄化装置へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変化すると、排気の空燃比がリーン空燃比であったときにNSR触媒に吸蔵されたNOが該NSR触媒から脱離され、その脱離したNOがNSR触媒において還元されてアンモニアが生成される可能性がある。このようにして生成されたアンモニアは、排気とともにSCR触媒へ到達して、SCR触媒に吸着される。その結果、誘発処理を開始する時点のNH吸着量が前記所定の上限値以下であっても、誘発処理の実行途中でNH吸着量が前記所定の上限値より多くなってしまう可能性がある。よって、SCR触媒の上流にNSR触媒が配置される場合は配置されない場合に比べ、NH吸着量が少ないときに誘発処理が実行されることが望ましいといえる。
そこで、SCR触媒の上流にNSR触媒が配置される構成においては、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるNH吸着量が前記所定の上限値より少ない所定値以下であるときに、前記誘発処理が実行されることが望ましい。ここでいう「所定値」は、例えば、誘発処理が実行されたと想定した場合にNSR触媒において生成されるアンモニアの量であるNH生成量を前記所定の上限値から減算した値である。なお、NH生成量は、NSR触媒に吸蔵されているNOの量(NO吸蔵量)に相関するため、NSR触媒のNO吸蔵量に基づいて求めることができる。
このような構成によれば、誘発処理の実行途中でNH吸着量が前記所定の上限値を超えない場合に、誘発処理が実行されることになる。よって、誘発処理の実行途中でSCR触媒のNH吸着量が前記所定の上限値を超えることを回避した上で、診断処理を実行することができる。その結果、NSR触媒で生成されるアンモニアに起因する診断精度の低下を抑制することができる。
なお、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるNH吸着量が前記所定値より多いときに、制御手段は、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に変更する処理であって、NSR触媒に吸蔵されているNOを脱離させるとともに、NSR触媒から脱離したNOをSCR触媒で浄化させることで、SCR触媒のNH吸着量を前記所定値以下まで減少させる処理であるNH消費処理を実行し、そのNH消費処理の実行後に誘発処理を実行してもよい。ここでいうNH消費処理は、NSR触媒に吸蔵されているNOが脱離し終わるまで実行されることが望ましいが、NSR触媒のNO吸蔵量が予め定められた量まで減少した時点で終了されてもよい。
誘発処理の実行前にNH消費処理が実行されると、誘発処理が実行される際のSCR触媒のNH吸着量を前記所定値以下まで減少させることができる。また、誘発処理の実行中にNSR触媒から脱離するNOの量が少なくなるため、誘発処理の実行途中にSCR触媒のNH吸着量が前記所定の上限値を上回り難くなる。よって、SCR触媒のNH
吸着量が前記所定値より多いときであっても、NH吸着量のばらつきに起因するセンサ出力差のばらつきを小さく抑えることができる。その結果、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することができる。
なお、NSR触媒に吸蔵されているNOの量(NO吸蔵量)が少ない場合や、SCR触媒のNH吸着量が多い場合は、上記したNH消費処理が実行されても、SCR触媒のNH吸着量を前記所定値以下まで減少させることができない可能性がある。そこで、NH消費処理が実行されると想定した場合の該NH消費処理の終了時におけるSCR触媒のNH吸着量(NH残留量)を予測し、そのNH残留量が前記所定値以下になる場合に、NH消費処理が実行されるようにしてもよい。
具体的には、本発明に係わる排気浄化装置の劣化診断装置は、NSR触媒に吸蔵されているNOの量であるNO吸蔵量を推定する推定手段と、前記推定手段により推定されるNO吸蔵量に相当する量のNOがSCR触媒で還元されると想定した場合に消費されるアンモニアの量であるNH消費量を演算し、そのNH消費量を前記取得手段により取得されるNH吸着量から減算することで、前記NH消費処理が実行されると想定した場合の該NH消費処理の終了時におけるSCR触媒のNH吸着量であるNH残留量を予測する予測手段と、を更に備えるようにしてもよい。そして、制御手段は、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるアンモニアの吸着量が前記所定値より多いときに、前記予測手段により予測されるNH残留量が前記所定以下であれば、前記NH消費処理を実行するようにしてもよい。このような構成によれば、誘発処理が実行されるときのSCR触媒のNH吸着量をより確実に前記所定の上限値以下に抑えることができるため、NH吸着量のばらつきに起因する診断精度の低下をより確実に抑制することができる。
また、排気浄化装置は、NSR触媒より上流に配置され、排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中の酸素を吸蔵し、且つ排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに酸素を脱離させる三元触媒を更に具備してもよい。このような構成においては、誘発処理を実行する前に、三元触媒に吸蔵されている酸素を予め脱離させておくことで、誘発処理の実行期間を短くすることができる。三元触媒に吸蔵されている酸素を脱離させるためには、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をリッチ空燃比にすることで、三元触媒へ流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にする必要がある。
ここで、三元触媒に吸蔵されている酸素を脱離させる処理(O脱離処理)が前述のNH消費処理の実行前に実行されると、三元触媒に吸蔵されている酸素が脱離し終わったときに、該三元触媒からリッチ空燃比の排気が排出される可能性がある。その場合、三元触媒より下流に配置されるNSR触媒において、該NSR触媒から脱離したNOが還元されてアンモニアが生成される可能性がある。NSR触媒において生成されたアンモニアは、NSR触媒の下流に配置されるSCR触媒に吸着されるため、SCR触媒のNH吸着量が増加することになる。したがって、前記O脱離処理は、NH消費処理の実行後であって、誘発処理の実行前に実行されることが望ましい。NH消費処理の実行後にO脱離処理が実行されれば、三元触媒に吸蔵されている酸素が脱離し終わったときに該三元触媒からリッチ空燃比の排気が排出されても、NSR触媒で生成されるアンモニアの量を少なくなるため、NH吸着量の大幅な増加を抑制することができる。
本発明によれば、SCR触媒を具備する排気浄化装置へ流入する排気の空燃比を測定するセンサと該排気浄化装置から流出する排気の空燃比を測定するセンサとを利用して、SCR触媒の劣化を精度良く診断することができる。
第1の実施例において本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 SCR触媒のNO浄化性能と酸素吸蔵量との相関を示す図である。 排気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更した場合における第一空燃比センサの測定値と第二空燃比センサの測定値との経時変化を示す図である。 SCR触媒のNH吸着量と酸素脱離量又は水素酸化量との関係を示す図である。 第1の実施例においてSCR触媒の劣化診断を行う際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 第2の実施例において本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 SCR触媒のNH吸着量が所定値以下であるときに誘発処理を実行した場合におけるNH吸着量の経時変化を示すタイミングチャートである。 SCR触媒のNH吸着量が所定値より多いときにNH消費処理と誘発処理を順次実行した場合におけるNH吸着量の経時変化を示すタイミングチャートである。 第2の実施例においてSCR触媒の劣化診断を行う際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。 第3の実施例において本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。 SCR触媒のNH吸着量が所定値より多いときにNH消費処理、O脱離処理、及び誘発処理を順次実行した場合におけるNH吸着量の経時変化を示すタイミングチャートである。 第3の実施例においてSCR触媒の劣化診断を行う際に実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的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1>
先ず、本発明の第1の実施例について図1乃至図5に基づいて説明する。図1は、本発明を適用する内燃機関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、理論空燃比より高いリーン空燃比の混合気を燃焼して運転(希薄燃焼運転)することができる火花点火式の内燃機関(ガソリンエンジン)であるが、圧縮着火式の内燃機関であってもよい。
内燃機関1は、気筒へ燃料を供給するための燃料噴射弁2を備えている。燃料噴射弁2は、各気筒の吸気ポート内へ燃料を噴射するものであってもよく、又は各気筒内へ燃料を噴射するものであってもよい。
内燃機関1には、排気管3が接続されている。排気管3は、内燃機関1の気筒内で燃焼されたガス(排気)が流通する通路を有する管である。排気管3の途中には、触媒ケーシング5が配置される。触媒ケーシング5は、SCR触媒を収容する。詳細には、触媒ケーシング5は、コーディライトやFe−Cr−Al系の耐熱鋼から成るハニカム構造体と、ハニカム構造体を被覆するゼオライト系のコート層と、コート層に担持される遷移金属(銅(Cu)や鉄(Fe)等)と、を収容する。このように構成されるSCR触媒は、排気中に含まれるアンモニアを吸着し、その吸着したアンモニアを用いて排気中のNOを還
元する。また、触媒ケーシング5より上流の排気管3には、該排気管3内を流れる排気にアンモニアを添加するための添加装置50が配置されている。なお、添加装置50から添加される物質は、アンモニアガスであってもよく、又は尿素水溶液等のようなアンモニアの前駆体であってもよい。
このように構成された内燃機関1には、ECU(Electronic Control Unit)6が併設
される。ECU6は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAM等から構成される電子制御ユニットである。ECU6は、第一空燃比センサ7、第二空燃比センサ8、排気温度センサ9、アクセルポジションセンサ10、クランクポジションセンサ11、及びエアフローメータ12等の各種センサと電気的に接続されている。
第一空燃比センサ7は、触媒ケーシング5より上流の排気管3に取り付けられ、触媒ケーシング5へ流入する排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。この第一空燃比センサ7は、本発明に係わる「第一空燃比センサ」に相当する。なお、触媒ケーシング5へ流入する排気の空燃比は、前記第一空燃比センサ7の代わりに酸素濃度センサを取り付けて、該酸素濃度センサの測定値から推定されてもよい。
第二空燃比センサ8は、触媒ケーシング5より下流の排気管3に取り付けられ、触媒ケーシング5から流出する排気の空燃比に相関する電気信号を出力する。第二空燃比センサ8は、本発明に係わる「第二空燃比センサ」に相当する。なお、触媒ケーシング5から流出する排気の空燃比は、前記第二空燃比センサ8の代わりに酸素濃度を取り付けて、該酸素濃度センサの測定値から推定されてもよい。
排気温度センサ9は、触媒ケーシング5より下流の排気管3に取り付けられ、排気管3内を流れる排気の温度に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ10は、アクセルペダルに取り付けられ、該アクセルペダルの操作量(アクセル開度)に関する電気信号を出力する。クランクポジションセンサ11は、内燃機関1に取り付けられ、機関出力軸(クランクシャフト)の回転位置に相関する電気信号を出力する。エアフローメータ12は、内燃機関1の吸気管(図示せず)に取り付けられ、吸気管内を流れる新気(空気)の量(質量)に相関する電気信号を出力する。
ECU6は、上記した各種センサの出力信号に基づいて、内燃機関1の運転状態を制御する。例えば、ECU6は、アクセルポジションセンサ10の出力信号(アクセル開度)に基づいて演算される機関負荷とクランクポジションセンサ11の出力信号に基づいて演算される機関回転速度とに基づいて混合気の目標空燃比を演算する。ECU6は、目標空燃比とエアフローメータ12の出力信号(吸入空気量)に基づいて目標燃料噴射量(燃料噴射期間)を演算し、その目標燃料噴射量に従って燃料噴射弁2を作動させる。その際、ECU6は、内燃機関1の運転状態が低回転・低負荷領域又は中回転・中負荷領域にある場合は、目標空燃比を理論空燃比より高いリーン空燃比に設定する。また、ECU6は、内燃機関1の運転状態が高負荷領域又は高回転領域にある場合は、目標空燃比を理論空燃比又は理論空燃比より低いリッチ空燃比に設定する。このように、内燃機関1の運転状態が低回転・低負荷領域や中回転・中負荷領域(以下、これらの運転領域を「リーン運転領域」と称する)に属するときに、目標空燃比をリーン空燃比に設定することで、内燃機関1が希薄燃焼運転されると、燃料消費量を少なく抑えることができる。
また、ECU6は、内燃機関1の運転状態に基づいて該内燃機関1から排出されるNOの量(触媒ケーシング5のSCR触媒へ流入するNOの量)を演算し、その演算結果とSCR触媒の温度とに基づいてSCR触媒においてNOの還元に寄与するアンモニアの量を演算する。また、ECU6は、添加装置50から添加されるアンモニアの量とSCR触媒においてNOの還元に寄与するアンモニアの量との差を積算することにより、S
CR触媒に吸着されているアンモニアの量(NH吸着量)を演算する。このようにECU6がNH吸着量を演算することにより、本発明に係わる「取得手段」が実現される。そして、ECU6は、上記した方法で求められたNH吸着量に基づいて、前記添加装置50から添加されるアンモニアの量を制御する。例えば、ECU6は、内燃機関1から排出されるNOの量に対して、SCR触媒のNH吸着量が不足とならないようにアンモニアの添加量を制御し、又はSCR触媒のNH吸着量が所定の目標吸着量となるようにアンモニアの添加量を制御する。このようにアンモニアの添加量が制御されると、内燃機関1が希薄燃焼運転されている場合であっても排気中のNOを効果的に浄化することができる。
ところで、触媒ケーシング5に収容されているSCR触媒が劣化すると、該SCR触媒によって浄化しきれなかったNOが大気中へ排出される可能性がある。そのため、SCR触媒が劣化した場合は、SCR触媒の劣化を速やかに検出して、車両の運転者に修理を促したり、内燃機関1の希薄燃焼運転を禁止したりする必要がある。
以下では、触媒ケーシング5に収容されたSCR触媒の劣化を診断する方法について述べる。本実施例では、SCR触媒の酸素吸蔵能に基づいて、SCR触媒の劣化を診断する。SCR触媒は、該SCR触媒が具備する遷移金属の働きにより、排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中の酸素を吸蔵する。そして、SCR触媒に吸蔵された酸素は、排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替わったときに、該SCR触媒から脱離する。このようなSCR触媒の酸素吸蔵能は、該SCR触媒のNO浄化性能に相関する。図2は、SCR触媒のNO浄化性能とSCR触媒が吸蔵することができる酸素の量(酸素吸蔵容量)との関係を示す図である。図2に示すように、SCR触媒のNO浄化性能(NO浄化率)が十分に高いとき(例えば、NO浄化率が80%−100%であるとき)は、SCR触媒の酸素吸蔵容量も十分に大きくなるが、SCR触媒のNO浄化性能がある程度低下(例えば、NO浄化率が80%未満へ低下)すると、それに伴って酸素吸蔵容量も小さくなる。よって、SCR触媒の酸素吸蔵容量を求めることで、SCR触媒のNO浄化性能が劣化しているか否かを判別することができる。例えば、SCR触媒の酸素吸蔵容量が予め定めれた基準値より少なければ、SCR触媒のNO浄化性能が劣化していると判定することができる。
SCR触媒の酸素吸蔵容量は、排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えられた場合にSCR触媒から脱離する酸素の量に相関する。排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えられた場合にSCR触媒から脱離する酸素の量は、SCR触媒へ流入する排気の空燃比(又は酸素濃度)とSCR触媒から流出する排気の空燃比(又は酸素濃度)との差に基づいて求めることができる。
例えば、排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替えられた状態において、第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との差を求め、その差を下記の(1)の式に代入することにより、その時々にSCR触媒から脱離した酸素量Aoxを求めることができる。
Aox=△A/F*α*Qinj・・・(1)
前記(1)の式において、△A/Fは第二空燃比センサ8の測定値から第一空燃比センサ7の測定値を減算した値であり、αは空気中に含まれる酸素の質量割合であり、Qinjは燃料噴射量である。
続いて、排気の空燃比がリッチ空燃比に維持されている期間において、前記(1)の式を用いた演算処理を繰り返し実行し、それらの演算結果を積算することにより、SCR触媒から脱離した酸素の総量(酸素吸蔵容量)を求めることができる。このような方法によ
って求められた酸素吸蔵容量に基づいてSCR触媒の劣化診断が行われると、既存の酸素濃度センサや空燃比センサを使用してSCR触媒の劣化診断を行うことができる。
ところで、正常なSCR触媒の酸素吸蔵容量は、セリア等の酸素吸蔵材を含む三元触媒やNSR触媒等に比べて少ない。そのため、第一空燃比センサ7や第二空燃比センサ8の測定値に誤差が含まれていると、SCR触媒が正常であるにもかかわらず酸素吸蔵容量の演算値が基準値より小さくなったり、SCR触媒が劣化しているにもかかわらず酸素吸蔵容量の演算値が基準値以上になったりする可能性がある。
そこで、本実施例においては、SCR触媒の酸素吸蔵容量を求める際に、内燃機関1で混合気が燃焼される際に水性ガスシフト反応を誘発させる処理(誘発処理)を実行するようにした。ここでいう誘発処理は、内燃機関1の運転状態がリーン運転領域にあるときに、混合気の空燃比を内燃機関1の運転状態に適したリーン空燃比から水性ガスシフト反応に適したリッチ空燃比にすることで、リッチ空燃比の混合気が燃焼する際に発生する一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応を誘発させる処理である。内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比をリッチ空燃比にする方法としては、燃料噴射量の増量と吸入空気量の減量との少なくとも一方を実行する方法を用いることができる。
誘発処理の実行によって一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応が生起されると、水素と二酸化炭素が生成される。水性ガスシフト反応によって生成された水素は、排気とともに第一空燃比センサ7に到達する。その際、水素の拡散速度が他の排気成分より速いため、第一空燃比センサ7のセンサ素子表面の多くが水素に覆われてリッチ雰囲気となる。その結果、第一空燃比センサ7の測定値が実際の排気の空燃比より低くなるリッチずれが発生する。一方、第一空燃比センサ7を通過した水素が触媒ケーシング5へ流入すると、SCR触媒の遷移金属と結合していた水酸化物イオン(OH)が排気中の水素と反応して水を生成する。つまり、水性ガスシフト反応によって生成された水素は、触媒ケーシング5で酸化及び消費されることになる。その結果、第二空燃比センサ8のリッチずれは、第一空燃比センサ7のリッチずれより小さくなる。
したがって、上記した誘発処理が実施された場合は、第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との間に、第二触媒ケーシング5のSCR触媒から脱離する酸素の量に起因する差に加え、第二触媒ケーシング5のSCR触媒によって酸化される水素の量に起因する差も生じることになる。
ここで、第二触媒ケーシング5のSCR触媒が劣化していない正常な状態において内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更した場合の第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との経時変化を図3に示す。図3中の実線Aは、第二空燃比センサ8の測定値(触媒ケーシング5から流出する排気の空燃比)を示す。図3中の一点鎖線Bは、内燃機関1において水性ガスシフト反応が発生した場合(排気中に水素が含まれる場合)の第一空燃比センサ7の測定値(触媒ケーシング5へ流入する排気の空燃比)を示す。図3中の二点鎖線Cは、内燃機関1において水性ガスシフト反応が発生しない場合(排気中に水素が含まれない場合)の第一空燃比センサ7の測定値(第二触媒ケーシング5へ流入する排気の空燃比)を示す。
図3において、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更されることで、内燃機関1から排出される排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ切り替わると(図3中のt1)、第一空燃比センサ7及び第二空燃比センサ8の測定値が低下し始める。そして、第一空燃比センサ7及び第二空燃比センサ8の測定値が理論空燃比より低いリッチ空燃比へ低下し始めると(図3中のt2)、触媒ケーシング5のSCR触媒から酸素が脱離するため、第二空燃比センサ8の測定値が第一空燃比セン
サ7の測定値より高くなる。
ここで、内燃機関1において水性ガスシフト反応が発生していなければ、第一空燃比センサ7にリッチずれが生じないため、触媒ケーシング5のSCR触媒に吸蔵されていた酸素が全て脱離し終わったときに、第二空燃比センサ8の測定値(図3中の実線A)と第一空燃比センサ7の測定値(図3中の二点鎖線C)とが略同等の値になる(図3中のt3)。これに対し、内燃機関1において水性ガスシフト反応が発生している場合は、排気中に含まれる水素が第一空燃比センサ7のリッチずれを発生させるが、その水素が触媒ケーシング5のSCR触媒で酸化されるため、第二空燃比センサ8のリッチずれは殆ど発生しない。よって、触媒ケーシング5のSCR触媒に吸蔵されていた全ての酸素が脱離した後も、第二空燃比センサ8の測定値(図3中の実線A)と第一空燃比センサ7の測定値(図3中の一点鎖線B)との間に十分な差が生じる。この差は、誘発処理の終了時(図3中のt4)まで継続して発生する。
このように、内燃機関1において水性ガスシフト反応が発生した場合は、第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との間に、触媒ケーシング5のSCR触媒から脱離する酸素量に起因する差のみならず、SCR触媒によって酸化される水素の量に起因する差も生じる。その結果、内燃機関1において水性ガスシフト反応が発生した場合は発生しない場合に比べ、誘発処理の実行期間(図3中のt1−t5)における第二空燃比センサ8の測定値(図3中の実線A)と第一空燃比センサ7の測定値(図3中の一点鎖線B)との差の積算値(以下、「総センサ出力差」と称する)が大きくなる。
一方、触媒ケーシング5のSCR触媒が劣化すると、SCR触媒の酸素吸蔵能と水素酸化能との双方が低下する。そのため、触媒ケーシング5のSCR触媒が劣化した場合は劣化していない場合に比べ、SCR触媒の酸素吸蔵容量が減少するとともに、SCR触媒によって酸化される水素の量も減少する。SCR触媒の酸素吸蔵容量が減少すると、誘発処理が実行された際にSCR触媒から脱離する酸素の量が少なくなる。その結果、第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との差が小さくなる。また、SCR触媒によって酸化させられる水素の量が少なくなると、誘発処理が実行された際に触媒ケーシング5のSCR触媒で酸化されずに第二空燃比センサ8へ到達する水素の量が多くなり、それに伴って第二空燃比センサ8のリッチずれが大きくなる。その結果、第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との差が小さくなる。
したがって、触媒ケーシング5のSCR触媒が劣化していない場合は、SCR触媒の酸素吸蔵能と水素酸化能との相乗効果によって総センサ出力差が大きくなるのに対し、触媒ケーシング5のSCR触媒が劣化している場合は、SCR触媒の酸素吸蔵能の低下と水素酸化能の低下との相乗効果によって総センサ出力差が小さくなる。その結果、触媒ケーシング5のSCR触媒が劣化していない場合の総センサ出力差と、SCR触媒が劣化している場合の総センサ出力差との間に顕著な差異が生まれる。
触媒ケーシング5のSCR触媒が劣化している場合の総センサ出力差と劣化していない場合の総センサ出力差との間に顕著な差異が生まれると、第一空燃比センサ7や第二空燃比センサ8の測定値に誤差が含まれる場合であっても、その誤差の影響が小さくなる。よって、誘発処理の実行期間における総センサ出力差を求め、その総センサ出力差に基づいてSCR触媒の劣化を診断(診断処理)すればよい。
ところで、前記誘発処理の実行時に触媒ケーシング5のSCR触媒から脱離する酸素の量及びSCR触媒で酸化される水素の量は、SCR触媒のNH吸着量に応じてばらつく可能性がある。例えば、図4に示すように、誘発処理の実行時にSCR触媒から脱離する酸素の量(酸素脱離量)、及びSCR触媒によって酸化される水素の量(水素酸化量)は
、SCR触媒のNH吸着量が多くなるほど少なくなる。つまり、SCR触媒のNH吸着量が多いときは少ないときに比べ、酸素脱離量及び水素酸化量が少なくなる。これは、SCR触媒に吸着されているアンモニアがSCR触媒に吸蔵されている酸素と結合することで、酸素の脱離が阻害されるため、それに伴って水素と酸素との反応も阻害されることに因ると考えられる。そして、SCR触媒のNH吸着量が多くなると、アンモニアと結合する酸素も多くなるため、誘発処理の実行時にSCR触媒から脱離する酸素の量、及びSCR触媒において酸化される水素の量が少なくなると考えられる。このように、SCR触媒のNH吸着量に起因する酸素脱離量及び水素酸化量のばらつきが生じると、それに応じて総センサ出力差もばらつくことになるため、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することができなくなる可能性がある。
そこで、本実施例では、内燃機関1の運転状態がリーン運転領域にあるときであって、SCR触媒のNH吸着量が所定の上限値以下であるときに、誘発処理を実行するようにした。ここでいう「所定の上限値」は、該所定の上限値以下のアンモニアがSCR触媒に吸着された状態で誘発処理が実行されても、SCR触媒が正常である場合の総センサ出力差とSCR触媒が劣化している場合の総センサ出力差との間に顕著な差が生じると考えられる値であり、劣化診断によって検出すべきSCR触媒の劣化度合に応じて決定される値である。例えば、劣化診断によって検出すべきSCR触媒の劣化度合が小さい場合は大きい場合に比べ、前記所定の上限値が小さい値に設定されればよい。このように所定の上限値が定められると、SCR触媒のNH吸着量に起因する総センサ出力差のばらつきは、SCR触媒が正常である場合の総センサ出力差とSCR触媒が劣化している場合の総センサ出力差との差に対して十分に小さいものとなる。その結果、SCR触媒のNH吸着量に起因する診断精度の低下を抑制することができる。
以下、本実施例においてSCR触媒の劣化を診断する手順について図5に沿って説明する。図5は、ECU6がSCR触媒の劣化診断を行う際に実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。図5の処理ルーチンは、予めECU6のROMに記憶されており、内燃機関1の運転期間中にECU6によって繰り返し実行される。なお、本処理ルーチンは、触媒ケーシング5のSCR触媒が活性しており、且つ第一空燃比センサ7及び第二空燃比センサ8が正常であるときに実行されるものとする。また、吸入空気量が比較的少ないときに誘発処理が実行されると、誘発処理の実行期間が長引く可能性がある。一方、吸入空気量が比較的多いときに誘発処理が実行されると、SCR触媒をすり抜ける水素の量が多くなる可能性がある。よって、誘発処理の実行期間の長さとSCR触媒をすり抜ける水素の量とのバランスが最適となるような吸入空気量の範囲を予め求めておき、その範囲に実際の吸入空気量(エアフローメータ12の測定値)が収まっていることを上記の実行条件に加えてもよい。さらに、誘発処理の実行中にSCR触媒の温度が変化する可能性があり、その温度変化に対する水素酸化量の変化が大きくなると、温度変化に起因する総センサ出力差の変化が大きくなる可能性がある。よって、SCR触媒の温度変化に対する水素酸化量の変化が比較的小さくなる温度範囲を予め求めておき、その温度範囲にSCR触媒の温度が属することも上記の実行条件に加えてもよい。
図5の処理ルーチンでは、ECU6は、先ずS101の処理において、内燃機関1の運転状態が前述のリーン運転領域に属しているか否か、つまり内燃機関1がリーン空燃比の混合気を燃焼して運転されているか否かを判別する。S101の処理において否定判定された場合は、ECU6は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、S101の処理において肯定判定された場合は、ECU6は、S102の処理へ進む。
S102の処理では、ECU6は、SCR触媒のNH吸着量Adnh3を取得する。SCR触媒のNH吸着量Adnh3は、前述したように、アンモニアの添加量とNOの還元に寄与するアンモニアの量との差を積算する処理を内燃機関1の運転期間中に繰り
返し実行することで求められ、その最新の値をECU6が読み込むことで取得される。
S103の処理では、ECU6は、前記S102の処理で取得されたNH吸着量Adnh3が所定の上限値Thrnh3以下であるか否かを判別する。S103の処理において否定判定された場合(Adnh3>Thrnh3)は、ECU6は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、S103の処理において肯定判定された場合(Adnh3≦Thrnh3)は、ECU6は、S104の処理へ進む。
S104の処理では、ECU6は、誘発処理の実行途中でSCR触媒のNH吸着量が増加する事態を回避するため、添加装置50によるアンモニアの添加(添加処理)を禁止する。そして、ECU6は、S105の処理へ進み、誘発処理を開始する。具体的には、ECU6は、前述したように、燃料噴射量の増量と吸入空気量の減量(例えば、図示しないスロットル弁の開度を減少)との少なくとも一方を実行することにより、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に変更する。
ECU6は、前記S105の処理を実行した後にS106の処理へ進み、第一空燃比センサ7の測定値Raf1と第二空燃比センサ8の測定値Raf2とを読み込む。続いて、ECU6は、S107の処理へ進み、前記S106で読み込まれた第二空燃比センサ8の測定値Raf2から第一空燃比センサ7の測定値Raf1を減算することで、センサ出力差△A/Fを算出する。そして、S108の処理では、ECU6は、誘発処理の開始から現時点までの期間におけるセンサ出力差ΔA/Fの積算値(総センサ出力差)Σ△A/Fを演算する。具体的には、ECU6は、誘発処理の開始から該S108の前回の実行時までの期間におけるセンサ出力差△A/Fの積算値Σ△A/Foldに、前記S107の処理で算出された差△A/Fを加算することで誘発処理の開始から現時点までの期間における総センサ出力差Σ△A/Fを算出する。
また、S109の処理では、ECU6は、誘発処理の開始から所定期間が経過したか否かを判別する。ここでいう所定期間は、SCR触媒が正常である場合の総センサ出力差とSCR触媒が劣化している場合のセンサ出力差との差が、第一空燃比センサ7や第二空燃比センサ8の測定誤差に起因した差に比して十分に大きくなるように定められる期間である。その際、所定期間は、水性ガスシフト反応により生成される水素の量が予め定められた一定量に達するまでに要する期間としてもよく、又はSCR触媒が正常であると想定した場合に該SCR触媒で酸化される水素の量が予め定められた一定量に達するまでに要する期間としてもよい。
前記S109の処理において否定判定された場合は、ECU6は、S106の処理へ戻り、誘発処理を引き続き実行する。一方、前記S109の処理において肯定判定された場合は、ECU6は、S110の処理へ進み、誘発処理を終了する。つまり、ECU6は、第一触媒ケーシング4へ流入する排気の空燃比をリッチ空燃比から内燃機関1の運転条件に適したリーン空燃比に復帰させる。なお、ECU6がS101、S103、S104−S105、及びS109−S111の処理を実行することにより、本発明に係わる「制御手段」が実現される。
前記S110の処理において誘発処理が終了されると、ECU6は、S111へ進み、添加装置50によるアンモニアの添加(添加処理)の禁止を解除する。その際、ECU6は、誘発処理の終了時におけるSCR触媒のNH吸着量に基づいて、添加装置50から添加されるアンモニアの量を制御すればよい。続いて、ECU6は、S112の処理へ進み、前記S108の処理で算出された総センサ出力差Σ△A/Fが所定の閾値Threa/f以上であるか否かを判別する。ここでいう「所定の閾値Threa/f」は、総センサ出力差Σ△A/Fが該所定の閾値Threa/fを下回ると、SCR触媒のNO浄化
性能が劣化しているとみなすことができる値であり、予め実験等を利用した適合処理によって求められた値である。
前記S112の処理において肯定判定された場合(Σ△A/F≧Threa/f)は、ECU6は、S113の処理へ進み、SCR触媒が劣化していない(正常)と判定する。一方、前記S112の処理において否定判定された場合(Σ△A/F<Threa/f)は、ECU6は、S114の処理へ進み、SCR触媒が劣化していると判定する。その場合、ECU6は、車両の室内に設けられた警告灯やディスプレイ装置等を利用して、触媒ケーシング5の修理を促すようにしてもよい。ECU6は、前記S113、又は前記S114の処理を実行した後にS115の処理へ進み、総センサ出力差Σ△A/Fを零にリセットする。なお、ECU6がS106−S108の処理、及びS112−S114の処理を実行することにより、本発明に係わる「診断手段」が実現される。
以上述べた手順によってSCR触媒の劣化診断が行われると、SCR触媒のNH吸着量が診断精度に影響を及ぼさない程度に少ないときに誘発処理が実行されることになる。その結果、SCR触媒のNH吸着量のばらつきに起因する総センサ出力差ΣΔA/Fのばらつきが小さくなるため、SCR触媒の劣化状態が正確に総センサ出力差ΣΔA/Fに反映されるようになる。よって、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することが可能になる。
なお、図5の処理ルーチンにおいては、誘発処理の実行期間中における第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との差の積算値(総センサ出力差)に基づいて、第二触媒ケーシング5に収容されたSCR触媒の劣化診断を行っているが、第一空燃比センサ7の測定値と第二空燃比センサ8の測定値との差を前述の(1)の式に代入して求められた値(Aox)の積算値に基づいて、第二触媒ケーシング5のSCR触媒の劣化診断を行ってもよい。
<実施例2>
次に、本発明の第2の実施例について図6乃至図9に基づいて説明する。ここでは、前述した第1の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。図6は、本実施例における内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。図6において、前述した図1と同様の構成要素には、同一の符号を付している。前述した図1と図6との相違点は、SCR触媒を収容した触媒ケーシング5より上流の排気管3に、添加装置50の代わりに、NSR触媒を収容した触媒ケーシング4が配置される点にある。以下では、NSR触媒を収容した触媒ケーシング4を第一触媒ケーシング4と称し、SCR触媒を終了した触媒ケーシング後を第二触媒ケーシング5と称する。
第一触媒ケーシング4は、アルミナ等のコート層によって被覆されたハニカム構造体と、コート層に担持される貴金属(白金(Pt)、パラジウム(Pd)等)と、コート層に担持されるセリア(CeO)等の助触媒と、コート層に担持されるNO吸蔵材(アルカリ類、アルカリ土類等)と、を収容する。
第一触媒ケーシング4と第二触媒ケーシング5との間の排気管3には、前述した第一空燃比センサ7に加え、NOセンサ13が取り付けられている。NOセンサ13は、第一触媒ケーシング4から流出する排気に含まれるNOの濃度に相関する電気信号を出力するセンサである。NOセンサ13の出力信号は、ECU6に入力されるようになっている。
このような構成においては、ECU6は、内燃機関1の運転状態が前記リーン運転領域にあるときに、リッチスパイク処理を適宜に実行する。リッチスパイク処理は、排気中の
酸素濃度が低く且つ炭化水素や一酸化炭素の濃度が高くなるように、燃料噴射量や吸入空気量を調整する処理であり、第一触媒ケーシング4のNSR触媒に吸蔵されているNOを還元するために実行される。第一触媒ケーシング4に収容されたNSR触媒は、第一触媒ケーシング4へ流入する排気の酸素濃度が高いとき(排気の空燃比がリーン空燃比であるとき)に、排気中のNOを吸蔵又は吸着し、第一触媒ケーシング4へ流入する排気の酸素濃度が低く且つ炭化水素や一酸化炭素等の還元成分が排気に含まれるとき(排気の空燃比がリッチ空燃比あるとき)に、該NSR触媒に吸蔵されていたNOを脱離させつつ、脱離したNOを窒素(N)やアンモニア(NH)に還元させる。そのため、リッチスパイク処理が実行されると、NSR触媒に吸蔵されていたNOが還元されることで、該NSR触媒のNO吸蔵能が再生される。
そこで、ECU6は、NSR触媒のNO吸蔵量が一定量以上になったとき、前回のリッチスパイク処理終了時からの運転時間(好ましくは、目標空燃比がリーン空燃比に設定された運転時間)が一定時間以上になったとき、又は前回のリッチスパイク処理終了時からの走行距離(好ましくは、目標空燃比がリーン空燃比に設定された走行距離)が一定距離以上になったときに、リッチスパイク処理を実行することで、NSR触媒のNO吸蔵能が飽和することを抑制する。
なお、リッチスパイク処理の具体的な実行方法としては、燃料噴射量を増加させる処理と吸入空気量を減少させる処理の少なくとも一方を実行することで、内燃機関1で燃焼に供される混合気の空燃比を低下させる方法を用いることができる。また、燃料噴射弁2が気筒内に直接燃料を噴射する構成においては、気筒の排気行程中に燃料噴射弁2から燃料を噴射させる方法により、リッチスパイク処理が実行されてもよい。
また、ECU6は、NSR触媒のNO吸蔵能を再生させる場合に加え、第二触媒ケーシング5のSCR触媒へアンモニアを供給する場合にもリッチスパイク処理を実行する。リッチスパイク処理が実行された場合は、第一触媒ケーシング4のNSR触媒から脱離したNOの一部が排気中の炭化水素や水素と反応してアンモニアに還元される。その際、NSR触媒において生成されるアンモニアの量は、リッチスパイク処理が実行される間隔や、リッチスパイク処理が実行されたときの排気の空燃比等によって変化する。よって、SCR触媒へアンモニアを供給する必要があるときに、ECU6は、リッチスパイク処理の実行間隔をアンモニアの生成に適した間隔に設定し、又はリッチスパイク処理実行時の排気の空燃比をアンモニアの生成に適した空燃比(例えば、14.1程度)に設定してもよい。
上記したような種々の目的に応じてリッチスパイク処理が実行されると、内燃機関1が希薄燃焼運転されている場合であっても排気中のNOを浄化することができる。ところで、第二触媒ケーシング5に収容されているSCR触媒が劣化すると、第一触媒ケーシング4で浄化しきれなかったNOが第二触媒ケーシング5でも浄化されずに大気中へ排出される可能性がある。そのため、図6に示した構成においても、前述した第1の実施例と同様に、SCR触媒の劣化を速やかに検出する必要がある。
以下では、本実施例におけるSCR触媒の劣化を診断する方法について述べる。ここで、SCR触媒の劣化を診断する方法としては、前述した第1の実施例と同様に、SCR触媒のNH吸着量が所定の上限値以下であるときに誘発処理を実行し、その誘発処理の実行期間中における総センサ出力差に基づいてSCR触媒の劣化を診断する方法が考えられる。このような方法によると、内燃機関1でリッチ空燃比の混合気が燃焼する際に水性ガスシフト反応が生起されるとともに、第一触媒ケーシング4のNSR触媒においても水性ガスシフト反応が生起される。そのため、第二触媒ケーシング5へ流入する排気に含まれる水素の量をより多くすることができる。
ところで、第一触媒ケーシング4のNSR触媒がNOを吸蔵した状態で誘発処理が実行されると、NSR触媒に吸蔵されていたNOが該NSR触媒から脱離し、その一部が排気中の炭化水素や水素と反応としてアンモニアを生成する可能性がある。このようにして生成されるアンモニアは、排気とともに第二触媒ケーシング5へ流入して、SCR触媒に吸着される。その結果、誘発処理の実行途中でSCR触媒のNH吸着量が前述の所定の上限値を超えてしまう可能性がある。よって、SCR触媒の上流にNSR触媒が配置される構成においては、SCR触媒のNH吸着量が前記所定の上限値より十分に少ないときに、誘発処理が実行されることが望ましい。
そこで、本実施例では、内燃機関1の運転状態がリーン運転領域にあるときであって、SCR触媒のNH吸着量が前記所定の上限値より少ない所定値以下であるときに、誘発処理を実行するようにした。ここでいう「所定値」は、誘発処理が実行されたと想定した場合に第一触媒ケーシング4のNSR触媒で生成されるアンモニアの量(NH生成量)を前記所定の上限値から減算した値である。なお、前記NH生成量は、NSR触媒のNO吸蔵量に相関する。たとえば、前記NH生成量は、NSR触媒のNO吸蔵量が多くなるほど多くなる傾向がある。そのため、前記所定値は、NSR触媒のNO吸蔵量に応じて変更されることが好適である。ここで、NH生成量とNO吸蔵量との相関を予め実験的に求めておき、それらの相関をマップ又は関数式としてECU6のROMに記憶させておけばよい。その場合、NSR触媒のNO吸蔵量を引数として前記マップ又は前記関数式にアクセスすることで、誘発処理が実行される場合のNH生成量を求めることができる。そして、前記所定の上限値からNH生成量を減算することで、前記所定値を求めることができる。また、NSR触媒のNO吸蔵量は、内燃機関1の運転履歴(たとえば、内燃機関1の運転状態がリーン運転領域にあるときの燃料噴射量や吸入空気量等の履歴)やNSR触媒の温度等をパラメータとして推定されればよい。このようにNSR触媒のNO吸蔵量を推定することにより、本発明に係わる「推定手段」が実現される。
ここで、SCR触媒のNH吸着量が前記所定の上限値より少ない所定値以下であるときに誘発処理を実行した場合におけるNH吸着量の経時変化を図7に示す。図7中の「Eng出A/F」は、内燃機関1から排出される排気の空燃比を示す。「NSR出A/F」は、NSR触媒から流出する排気(SCR触媒へ流入する排気)の空燃比を示す。「SCR出A/F」は、SCR触媒から流出する排気の空燃比を示す。「NO吸蔵量」は、NSR触媒のNO吸蔵量を示す。「NSR出NH」は、NSR触媒から流出する排気(SCR触媒へ流入する排気)に含まれるアンモニアの濃度を示す。「NH吸着量」は、SCR触媒のNH吸着量を示す。
図7において、誘発処理が開始されると(図7中のt1)、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更される。そして、内燃機関1から排出される排気の空燃比(Eng出A/F)がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化すると(図7中のt2)、NSR触媒に吸蔵されていた酸素及びNOが該NSR触媒から脱離するとともに、NSR触媒から脱離したNOが排気中の炭化水素によって還元される。その場合、NSR触媒から脱離した酸素の働きによって排気の空燃比が高められるとともに、排気中の炭化水素がNOの還元に消費されることによっても排気の空燃比が高められる。そのため、NSR触媒から流出する排気の空燃比(NSR出A/F)は、リッチ空燃比まで低下せずに理論空燃比にとどまる。その後、NSRに吸蔵されていた酸素及びNOが脱離し終わると(図7中のt3)、NSR触媒から流出する排気の空燃比(NSR出A/F)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化する。NSRから流出する排気の空燃比(NSR出A/F)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化すると、SCR触媒に吸蔵されていた酸素が脱離するため、SCR触媒から流出する排気の空燃比(SCR出A/F)が理論空燃比に維持される。そして、SCR触媒に吸蔵されていた酸素が脱離し終わると(
図7中のt4)、SCR触媒から流出する排気の空燃比(SCR出A/F)が理論空燃比からリッチ空燃比に変化する。
また、NSR触媒に吸蔵されていたNOが該NSR触媒から脱離して還元される期間(図7中のt2からt3までの期間)では、NSR触媒のNO吸蔵量が減少するとともに、NSR触媒から流出する排気のNH濃度が増加する。NSR触媒から流出する排気のNH濃度が増加すると、それに伴ってSCR触媒のNH吸着量が増加する。ただし、SCR触媒のNH吸着量が前記所定値以下であるときに誘発処理が実行されれば、NSR触媒で生成されたアンモニアによってNH吸着量が増加しても、その増加後のNH吸着量が前記所定の上限値以下に収まる。このようにSCR触媒のNH吸着量が前記所定値以下であるときに誘発処理が実行されれば、その誘発処理の実行期間中における総センサ出力差のばらつきの大きさは、SCR触媒が正常である場合の総センサ出力差とSCR触媒が劣化している場合の総センサ出力差との差に比して十分に小さいものとなる。その結果、NH吸着量のばらつきに起因する診断精度の低下を抑制することができる。
ところで、SCR触媒のNH吸着量が成り行きで前記所定値以下となる場合に限って、誘発処理が実行されるようにすると、診断処理の実行機会が少なくなることで、SCR触媒の劣化を早期に検出することができなくなる可能性がある。そこで、内燃機関1の運転状態がリーン運転領域にあるときであって、SCR触媒のNH吸着量が前記所定値より多いときは、NSR触媒のNO吸蔵量及びSCR触媒のNH吸着量を積極的に減少させる処理(NH消費処理)を実行し、そのNH消費処理の実行後に誘発処理を実行するようにした。
ここでいうNH消費処理は、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比を、内燃機関1の運転状態に適したリーン空燃比から理論空燃比へ変更する処理である。内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比へ変更されると、それに伴って第一触媒ケーシング4のNSR触媒へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に変化する。理論空燃比の排気がNSR触媒へ流入すると、NSR触媒に吸蔵されていたNOが該NSR触媒から脱離する。その際、理論空燃比の排気には炭化水素等の還元成分が殆ど含まれていないため、NSR触媒から脱離したNOが還元されることなく、第一触媒ケーシング4から流出する。第一触媒ケーシング4から流出したNOが第二触媒ケーシング5のSCR触媒へ流入すると、そのNOがSCR触媒に吸着されていたアンモニアと反応して窒素(N)に還元される。その結果、NSR触媒のNO吸蔵量及びSCR触媒のNH吸着量が減少することになる。このようなNH消費処理は、SCR触媒のNH吸着量が前記所定値以下となるまで実行されてもよく、又はNSR触媒のNO吸蔵量が零になるまで実行されてもよい。
なお、NSR触媒のNO吸蔵量に対してSCR触媒のNH吸着量が十分に多いときは、NSR触媒のNO吸蔵量が零になるまでNH消費処理が実行されても、SCR触媒のNH吸着量を前記所定値以下まで減少させることができない可能性がある。これに対し、本実施例では、NH消費処理が実行されると想定した場合の該NH消費処理の終了時におけるSCR触媒のNH吸着量(NH残留量)を予測し、そのNH残留量が前記所定の上限値以下であれば、前記NH消費処理を実行するようにした。なお、NH残留量は、NSR触媒のNO吸蔵量と同量のNOがSCR触媒で還元されると想定した場合に消費されるアンモニアの量(NH消費量)を演算し、そのNH消費量をSCR触媒のNH吸着量から減算することで求められる。
ここで、SCR触媒のNH吸着量が前記所定値より多いときであって、NH残留量が前記所定値より少ないときに、NH消費処理及び誘発処理を実行した場合におけるNH吸着量の経時変化を図8に示す。図8中の「Eng出A/F」、「NSR出A/F」
、「SCR出A/F」、「NO吸蔵量」、「NSR出NH」、及び「NH吸着量」は、前述の図7と同じパラメータである。図8中の「NSR出NO」は、NSR触媒から流出する排気のNO濃度を示す。
図8において、NH消費処理が開始されると(図8中のt5)、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比へ変更される。そして、内燃機関1から排出される排気の空燃比(Eng出A/F)がリーン空燃比から理論空燃比に変化すると(図8中のt6)、NSR触媒に吸蔵されていたNOが該NSR触媒から脱離し、その脱離したNOが還元されずにNSR触媒から流出する。そのため、NSR触媒から流出する排気のNO濃度(NSR出NO)が増加するとともに、NSR触媒のNO吸蔵量が減少する。また、前述したように、NSR触媒から脱離したNOが還元されずにNSR触媒から流出するため、NSR触媒から流出する排気のNH濃度は、NH消費処理の実行前と略同じ濃度になる。そして、NSR触媒から流出したNOがSCR触媒に吸着されているアンモニアと反応することで、SCR触媒のNH吸着量が減少する。NSR触媒からのNOの脱離が終了(図8中のt7)するまでNH消費処理が実行されると、SCR触媒のNH吸着量が前記所定値以下まで減少する。なお、NH消費処理の実行によってNSR触媒のNO吸蔵量が零まで減少された場合は、前記所定値が前記所定の上限値と同等になるため、図8中の所定値は、所定の上限値と言い換えることもできる。SCR触媒のNH吸着量が前記所定値(所定の上限値)以下まで減少した状態で誘発処理が実行されると、誘発処理の実行途中でSCR触媒のNH吸着量が前記所定の上限値より多くなることが抑制される。その結果、誘発処理の実行期間における総センサ出力差は、SCR触媒の劣化状態が反映された値になる。よって、SCR触媒のNH吸着量が前記所定値より多い場合であっても、誘発処理の実行前に誘発処理を実行することで、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することが可能になる。
以下、本実施例においてSCR触媒の劣化を診断する手順について図9に沿って説明する。図9は、ECU6がSCR触媒の劣化診断を行う際に実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。図9において、前述した図5の処理ルーチンと同様の処理には同一の符号を付している。なお、図9に示す処理ルーチンは、第二触媒ケーシング5のSCR触媒が活性していること、第一空燃比センサ7及び第二空燃比センサ8が正常であること、及び吸入空気量やSCR触媒の温度が所定の範囲に収まっていることに加え、第一触媒ケーシング4のNSR触媒が活性していることを条件として実行される。
図9の処理ルーチンでは、ECU6は、S101の処理で肯定判定された場合に、S201の処理へ進み、SCR触媒のNH吸着量Adnh3とNSR触媒のNO吸蔵量Stnoxとを取得する。ここで、SCR触媒のNH吸着量は、該SCR触媒へ供給されるアンモニアの量と、該SCR触媒へ流入するNOを還元するために消費されるアンモニアの量との収支を演算することにより求められる。なお、SCR触媒へ供給されるアンモニアは、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときにNSR触媒で生成される。そして、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときは排気中のNOがNSR触媒で還元されるため、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときのNOセンサ13の測定値は、SCR触媒へ供給されるアンモニアの量に相関した値となる。一方、排気の空燃比が理論空燃比又はリーン空燃比であるときは、NSR触媒においてアンモニアが殆ど生成されないため、排気の空燃比がリーン空燃比であるときのNOセンサ13の測定値は、SCR触媒へ流入するNOの量に相関した値となる。よって、排気の空燃比がリッチ空燃比であるときのNOセンサ13の測定値と、排気の空燃比が理論空燃比以上であるときのNOセンサ13の測定値とをパラメータとして、SCR触媒のNH吸着量を演算することができる。また、NSR触媒のNO吸蔵量Stnoxは、前述したように、内燃機関1の運転履歴やNSR触媒の温度等をパラメータとして演算することができる。
ECU6は、前記S201の処理を実行した後にS202の処理へ進み、所定値Prenh3を演算する。ここでいう所定値Prenh3は、前述したように、誘発処理が実行されたと想定した場合に第一触媒ケーシング4のNSR触媒で生成されるアンモニアの量(NH生成量)を前記所定の上限値から減算した値であり、NSR触媒のNO吸蔵量を引数とするマップ又は関数式を利用して演算される。
ECU6は、前記S202の処理を実行した後にS203の処理へ進み、前記S201の処理で取得されたNH吸着量Adnh3が前記S202の処理で求められた所定値Prenh3以下であるか否かを判別する。該S203の処理で肯定判定された場合は、ECU6は、S105からS115の処理を実行する。なお、本実施例では、添加装置50によるアンモニアの添加を禁止する必要がないため、S109の処理が実行された後にS110の処理が実行されるものとする。また、誘発処理の実行時に第一触媒ケーシング4のNSR触媒によって生成される水素の量は、第一触媒ケーシング4へ流入する排気の空燃比によって変化する。例えば、第一触媒ケーシング4へ流入する排気の空燃比が低い場合は高い場合に比べ、NSR触媒によって生成される水素の量が多くなる。よって、第一触媒ケーシング4のNSR触媒で十分な量の水素を生成させるためには、第一触媒ケーシング4へ流入する排気の空燃比を可能な限り低くすることが望ましい。ただし、第一触媒ケーシング4へ流入する排気の空燃比が過剰に低くされると、空燃比の多少の変化によって水素の生成量が大幅に変化しやすい。よって、誘発処理の実行時に第一触媒ケーシング4へ流入する排気の空燃比は、NSR触媒で生成される水素の量が十分に多く、且つ空燃比の変化に対する水素生成量の変化が小さくなる範囲において、内燃機関1の燃料消費率等を考慮した空燃比(例えば、12程度)に定められるものとする。
また、前記S203の処理において否定判定された場合は、ECU6は、S204の処理へ進む。S204の処理では、ECU6は、NH消費処理が実行されたと想定した場合の該NH消費処理の終了時におけるNH残留量Renh3を予測(演算)する。詳細には、ECU6は、NSR触媒のNO吸蔵量に相当する量のNOがSCR触媒で還元されると想定した場合のNH消費量を演算し、そのNH消費量をNH吸着量Adnh3から減算することで、NH残留量Renh3を予測する。このようにECU6がS203の処理を実行することにより、本発明に係わる「予測手段」が実現される。
続いて、ECU6は、S205の処理へ進み、前記S204の処理で算出されたNH残留量Renh3が所定値(所定の上限値Thrnh3)以下であるか否かを判別する。該S205の処理において否定判定された場合は、ECU6は、本処理ルーチンの実行を終了する。その場合、NH消費処理、誘発処理、及びSCR触媒の診断処理は実行されないため、NH吸着量に起因する誤診断の発生を抑制することができる。一方、該S205の処理において肯定判定された場合は、ECU6は、S206の処理へ進み、NH消費処理を開始する。具体的には、ECU6は、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に変更する。その場合、第一触媒ケーシング4のNSR触媒へ流入する排気の空燃比がリーン空燃比から理論空燃比に変化するため、NSR触媒に吸蔵されていたNOが該NSR触媒から脱離する。そして、NSR触媒から脱離したNOが該NSR触媒で還元されることなく、第二触媒ケーシング5のSCR触媒へ流入するため、SCR触媒に吸着されていたアンモニアが前記NOの還元に消費される。
S207の処理では、ECU6は、NSR触媒からのNOの脱離が終了したか否かを判別する。具体的には、ECU6は、NOセンサ13の測定値が予め定められた目標値以下であればNOの脱離が終了したと判定し、NOセンサ13の測定値が前記目標値より大きければNOの脱離が終了していないと判定する。ここでいう目標値は、NSR触媒から脱離するNOの量が略零になったときのNOセンサ13の測定値に相当する値である。該S207の処理で否定判定された場合は、ECU6は、該S207の処理を
繰り返し実行する。一方、該S207の処理で肯定判定された場合は、ECU6は、S105の処理へ進み、誘発処理を開始する。つまり、ECU6は、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比を理論空燃比からリッチ空燃比に変更することで、NH消費処理を終了するとともに、誘発処理を開始する。
以上述べた手順によってSCR触媒の劣化が診断されると、SCR触媒の上流にNSR触媒が配置される構成においても、SCR触媒のNH吸着量が診断精度に影響を及ぼさない程度に少ないときに誘発処理が実行することが可能になる。その結果、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することが可能になる。
なお、図9の処理ルーチンでは、NSR触媒からのNOの脱離が終了(NSR触媒のNO吸蔵量が略零)するまでNH消費処理を実行する例を示しているが、NSR触媒からNOの脱離が終了する前にNH消費処理が終了されてもよい。例えば、SCR触媒のNH吸着量に対してNSR触媒のNO吸蔵量が十分に多い場合は、前述のNH消費量(NSR触媒のNO吸蔵量に相当する量のNOがSCR触媒で還元されると想定した場合に消費されるアンモニアの量)がSCR触媒のNH吸着量より多くなる可能性がある。よって、NH消費量がNH吸着量より多くなる場合においては、NH吸着量が零、又はNH吸着量が前記所定値以下となった時点でNH消費処理を終了してもよい。詳細には、NH消費処理の実行時に、NOセンサ13の測定値と排気の流量とに基づいて単位時間あたりにSCR触媒へ流入するNOの量を演算するとともに、その量のNOを還元するために必要となるアンモニアの量をNH吸着量から減算する処理を繰り返し実行し、NH吸着量が零又は零より大きな設定値以下になった時点でNH消費処理を終了させてもよい。
<実施例3>
次に、本発明に係わる排気浄化装置の劣化診断装置の第3の実施例について図10乃至図12に基づいて説明する。ここでは、前述した第2の実施例と異なる構成について説明し、同様の構成については説明を省略する。図10は、本実施例における内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。図10において、前述した図6と同様の構成要素には、同一の符号を付している。前述した図6と図10との相違点は、第一触媒ケーシング4より上流の排気管3に、三元触媒を収容した前段ケーシング14が配置される点にある。
前段ケーシング14は、アルミナ等のコート層によって被覆されたハニカム構造体と、コート層に担持される貴金属(白金(Pt)、パラジウム(Pd)等)と、コート層に担持されるセリア(CeO)等の助触媒と、を収容する。また、前段ケーシング14と第一触媒ケーシング4との間の排気管3には、前段ケーシング14から流出する排気の空燃比に相関する電気信号を出力する第三空燃比センサ15が取り付けられている。第三空燃比センサ15の出力信号は、ECU6に入力されるようになっている。
このような構成においては、ECU6は、前述の誘発処理を実行する前に、前段ケーシング14の三元触媒に吸蔵されている酸素を該三元触媒から脱離させるための処理(O脱離処理)を実行する。O脱離処理は、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比をリッチ空燃比にすることで、前段ケーシング14へ流入する排気の空燃比をリッチ空燃比にする処理である。このようなO脱離処理が実行されると、三元触媒に吸蔵されていた酸素が該三元触媒から脱離する。三元触媒から酸素が脱離しているときは、該三元触媒から流出する排気の空燃比が理論空燃比になるため、それに伴って第三空燃比センサ15の測定値も理論空燃比を示す。そして、三元触媒に吸蔵されていた酸素が脱離し終わると、該三元触媒から流出する排気の空燃比が理論空燃比からリッチ空燃比へ低下するため、それに伴って第三空燃比センサ15の測定値も理論空燃比からリッチ空燃比へ変化する。よって、O脱離処理は、第三空燃比センサ15の測定値が理論空燃比からリッチ空燃比へ変化
したときに終了されればよい。
ところで、前述した第2の実施例で述べたように、誘発処理を実行する前にNH消費処理を実行する必要がある場合において、NH消費処理の実行前にO脱離処理が実行されると、三元触媒からの酸素の脱離が終了することで、三元触媒から流出する排気の空燃比がリッチ空燃比へ変化したときに、第一触媒ケーシング4のNSR触媒においてNOが還元されることで、アンモニアが生成される可能性がある。このようにして生成されたアンモニアが第二触媒ケーシング5のSCR触媒へ流入すると、SCR触媒のNH吸着量が増加してしまう。このようにして増加したNH吸着量は、O脱離処理の実行後にNH消費処理が実行されることで減少するため、NH消費処理の実行時にNSR触媒から脱離するNOが比較的多い場合やSCR触媒のNH吸着量が比較的少ない場合であれば、NH消費処理の終了時(誘発処理の開始時)におけるNH吸着量が前記所定の上限値以下となる。しかしながら、NH消費処理の実行時にNSR触媒から脱離するNOが比較的少ない場合やSCR触媒のNH吸着量が比較的多い場合は、NH消費処理の終了時(誘発処理の開始時)におけるNH吸着量が前記所定の上限値以下とならない可能性がある。
そこで、本実施例では、誘発処理を実行する前にNH消費処理を実行する必要がある場合は、NH消費処理の実行後であって、誘発処理の実行前にO脱離処理を実行するようにした。ここで、NH消費処理、O脱離処理、及び誘発処理が順次実行される場合におけるSCR触媒のNH吸着量の経時変化を図11に示す。図11中の「Eng出A/F」、「NSR出A/F」、「SCR出A/F」、「NSR出NO」、「NO吸蔵量」、「NSR出NH」、及び「NH吸着量」は、前述の図8と同じパラメータである。図11中の「S/C出A/F」は、三元触媒から流出する排気の空燃比を示す。また、「S/C出NH」は、三元触媒から流出する排気のNH濃度を示す。
図11において、NH消費処理が開始されると(図11中のt9)、内燃機関1から排出される排気の空燃比(Eng出A/F)がリーン空燃比から理論空燃比に変化する。そして、三元触媒から流出する排気の空燃比(S/C出A/F)がリーン空燃比から理論空燃比に変化すると(図11中のt10)、NSR触媒に吸蔵されていたNOが該NSR触媒から脱離するため、NSR触媒から排出されるNOの濃度(NSR出NO)が増加するとともに、NSR触媒のNO吸蔵量が減少する。また、NSR触媒から脱離したNOがSCR触媒で還元されることで、SCR触媒のNH吸着量が減少する。NSR触媒からのNOの脱離が終了すると(図11中のt11)、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比を理論空燃比からリッチ空燃比へ変更することによってO脱離処理が実行される。ここで、O脱離処理を短時間で終了させるという観点にたつと、O脱離処理におけるリッチ空燃比は、誘発処理におけるリッチ空燃比より低くされてもよい。
脱離処理が実行されると、三元触媒に吸蔵されていた酸素が脱離するため、三元触媒から流出する排気の空燃比(S/C出A/F)が理論空燃比に維持される。そして、三元触媒からの酸素の脱離が終了すると(図11中のt12)、三元触媒から流出する排気の空燃比(S/C出A/F)が理論空燃比からリッチ空燃比へ低下する。その際、三元触媒において少量のアンモニアが生成されることで、三元触媒から流出する排気のアンモニア濃度(S/C出NH)がわずかに増加する。また、三元触媒からの酸素の脱離が終了したときに、NSR触媒へリッチ空燃比の排気が流入することになるが、NSR触媒にNOが吸蔵されていないため、NSR触媒で生成されるアンモニアの量は略零となる。よって、NSR触媒から流出する排気のアンモニア濃度(NSR出NH)は、三元触媒から流出する排気のアンモニア濃度(S/C出NH)と略同等の濃度になる。その結果、SCR触媒のNH吸着量が微増するものの、その増加後のNH吸着量が所定値(所定の上限値)を超えることが回避される。よって、NSR触媒の上流に三元触媒が配置され
る構成においても、SCR触媒のNH吸着量が所定値(所定の上限値)以下となる状態で誘発処理を実行することが可能になる。
以下、本実施例においてSCR触媒の劣化を診断する手順について図12に沿って説明する。図12は、ECU6がSCR触媒の劣化診断を行う際に実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。図12において、前述した図9の処理ルーチンと同様の処理には同一の符号を付している。なお、図12に示す処理ルーチンは、第一触媒ケーシング4のNSR触媒が活性していること、第二触媒ケーシング5のSCR触媒が活性していること、第一空燃比センサ7及び第二空燃比センサ8が正常であること、及び吸入空気量やSCR触媒の温度が所定の範囲に収まっていることに加え、前段ケーシング14の三元触媒が活性していること、及び第三空燃比センサが正常であることを条件として実行される。
図12の処理ルーチンでは、S207の処理においてNSR触媒からのNOの脱離が終了したと判定された場合に、ECU6は、S105の処理を実行する前に、S301及びS302の処理を実行する。
先ず、S301の処理では、ECU6は、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比をNH消費処理に適した理論空燃比からO脱離処理に適したリッチ空燃比に変更する。ここでいうO脱離処理に適したリッチ空燃比は、誘発処理に適したリッチ空燃比(水性ガスシフト反応に適したリッチ空燃比)より低い空燃比である。このようにしてO脱離処理が開始されると、前段ケーシング14の三元触媒へ流入する排気の空燃比が理論空燃比からリッチ空燃比へ変化するため、三元触媒に吸蔵されていた酸素が脱離する。
次に、S302の処理では、ECU6は、三元触媒からの酸素の脱離が終了したか否かを判別する。具体的には、ECU6は、第三空燃比センサ15の測定値が理論空燃比を示していれば三元触媒からの酸素の脱離が終了していないと判定し、第三空燃比センサ15の測定値がリッチ空燃比を示していれば三元触媒からの酸素の脱離が終了したと判定する。該S302の処理で否定判定された場合は、ECU6は、該S302の処理を繰り返し実行する。一方、該S302の処理で肯定判定された場合は、ECU6は、S105の処理へ進み、誘発処理を開始する。つまり、ECU6は、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比をO脱離処理に適したリッチ空燃比から誘発処理に適したリッチ空燃比に変更することで、NH消費処理を終了するとともに、誘発処理を開始する。
以上述べた手順によってSCR触媒の劣化が診断されると、NSR触媒の上流に三元触媒が配置される構成においても、SCR触媒のNH吸着量が診断精度に影響を及ぼさない程度に少ないときに誘発処理が実行することが可能になる。その結果、SCR触媒の劣化状態を正確に診断することが可能になる。
1 内燃機関
2 燃料噴射弁
3 排気管
4 触媒ケーシング(第一触媒ケーシング)
5 第二触媒ケーシング
6 ECU
7 第一空燃比センサ
8 第二空燃比センサ
12 エアフローメータ
13 NOセンサ
14 前段ケーシング
15 第三空燃比センサ
図5の処理ルーチンでは、ECU6は、先ずS101の処理において、内燃機関1の運転状態が前述のリーン運転領域に属しているか否か、つまり内燃機関1がリーン空燃比の混合気を燃焼して運転されているか否かを判別する。S101の処理において否定判定された場合は、ECU6は、Sl15の処理において後述する総センサ出力差Σ△A/Fを零にリセットして、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、S101の処理において肯定判定された場合は、ECU6は、S102の処理へ進む。
S103の処理では、ECU6は、前記S102の処理で取得されたNH吸着量Adnh3が所定の上限値Thrnh3以下であるか否かを判別する。S103の処理において否定判定された場合(Adnh3>Thrnh3)は、ECU6は、S115の処理を実行して、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、S103の処理において肯定判定された場合(Adnh3≦Thrnh3)は、ECU6は、S104の処理へ進む。
ECU6は、前記S201の処理を実行した後にS202の処理へ進み、所定値Prenh3を演算する。ここでいう所定値Prenh3は、前述したように、誘発処理が実行されたと想定した場合に第一触媒ケーシング4のNSR触媒で生成されるアンモニアの量(NH生成量)を前記所定の上限値から減算した値であり、NSR触媒のNOx吸蔵量を引数とするマップ又は関数式を利用して演算される。その際のNO 吸蔵量としては、前記S201の処理で取得されたNO 吸蔵量Stnoxが用いられるものとする。
また、前記S203の処理において否定判定された場合は、ECU6は、S204の処理へ進む。S204の処理では、ECU6は、NH消費処理が実行されたと想定した場合の該NH消費処理の終了時におけるNH残留量Renh3を予測(演算)する。詳細には、ECU6は、前記S201の処理で取得されたNSR触媒のNO吸蔵量に相当する量のNOがSCR触媒で還元されると想定した場合のNH消費量を演算し、そのNH消費量をNH吸着量Adnh3から減算することで、NH残留量Renh3を予測する。このようにECU6がS203の処理を実行することにより、本発明に係わる「予測手段」が実現される。
S207の処理では、ECU6は、NSR触媒からのNOの脱離が終了したか否かを判別する。具体的には、ECU6は、NOセンサ13の測定値が予め定められた目標値以下であればNOの脱離が終了したと判定し、NOセンサ13の測定値が前記目標値より大きければNOの脱離が終了していないと判定する。ここでいう目標値は、NSR触媒から脱離するNOの量が略零になったときのNOセンサ13の測定値に相当する値である。該S207の処理で否定判定された場合は、ECU6は、該S207の処理を繰り返し実行する。一方、該S207の処理で肯定判定された場合は、ECU6は、S208の処理においてNH 消費処理を終了させ、次いでSl05の処理において誘発処理を開始する。つまり、ECU6は、内燃機関1で燃焼される混合気の空燃比を理論空燃比からリッチ空燃比に変更することで、NH消費処理を終了するとともに、誘発処理を開始する。
特開2012−241652号公報 国際公開第2012/035615号

Claims (6)

  1. 希薄燃焼運転可能な内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として用いることで排気中のNOを還元する触媒であって、排気の空燃比が理論空燃比より高いリーン空燃比であるときは排気中の酸素を吸蔵し、且つ排気の空燃比が理論空燃比より低いリッチ空燃比であるときは吸蔵していた酸素を脱離させる選択還元型触媒を具備する排気浄化装置と、
    前記選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの量であるNH吸着量を取得する取得手段と、
    前記選択還元型触媒へ流入する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第一空燃比センサと、
    前記選択還元型触媒から流出する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第二空燃比センサと、
    内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるNH吸着量が所定の上限値以下であるときに、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比へ変更する処理であって、内燃機関で混合気が燃焼される際に発生する一酸化炭素と水との水性ガスシフト反応を誘発させる処理である誘発処理を実行する制御手段と、
    前記誘発処理の実行時における前記第一空燃比センサの測定値と前記第二空燃比センサの測定値との差に基づいて前記選択還元型触媒の劣化を診断する処理である診断処理を実行する診断手段と、
    を備える排気浄化装置の劣化診断装置。
  2. 請求項1において、前記排気浄化装置は、排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中のNOを吸蔵し、且つ排気の空燃比が理論空燃比以下であるときにNOを脱離させる触媒であって、前記選択還元型触媒より上流に配置される吸蔵還元型触媒を更に具備し、
    内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるNH吸着量が前記所定の上限値より少ない所定値以下であるときに、前記制御手段が前記誘発処理を実行する排気浄化装置の劣化診断装置。
  3. 請求項2において、前記所定値は、前記誘発処理が実行されたと想定した場合に前記吸蔵還元型触媒において生成されるアンモニアの量であるNH生成量を前記所定の上限値から減算した値である排気浄化装置の劣化診断装置。
  4. 請求項2又は3において、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるNH吸着量が前記所定値より多いときに、前記制御手段は、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比をリーン空燃比から理論空燃比に変更する処理であって、前記吸蔵還元型触媒に吸蔵されているNOを脱離させるとともに、前記吸蔵還元型触媒から脱離したNOを前記選択還元型触媒で浄化させることで、前記選択還元型触媒のNH吸着量を前記所定値以下まで減少させる処理であるNH消費処理を実行し、そのNH消費処理の実行後に前記誘発処理を実行する排気浄化装置の劣化診断装置。
  5. 請求項4において、前記劣化診断装置は、
    前記吸蔵還元型触媒に吸蔵されているNOの量であるNO吸蔵量を推定する推定手段と、
    前記推定手段により推定されるNO吸蔵量に相当する量のNOが前記選択還元型触媒で還元されると想定した場合に消費されるアンモニアの量であるNH消費量を演算し、そのNH消費量を前記取得手段により取得されるNH吸着量から減算することで、
    前記NH消費処理が実行されると想定した場合の該NH消費処理の終了時における前記選択還元型触媒のNH吸着量であるNH残留量を予測する予測手段と、
    を更に備え、
    内燃機関で燃焼される混合気の空燃比がリーン空燃比であり、且つ前記取得手段により取得されるNH吸着量が前記所定値より多いときに、前記制御手段は、前記予測手段により予測されるNH残留量が前記所定値以下であれば、前記NH消費処理を実行する排気浄化装置の劣化診断装置。
  6. 請求項4又は5において、前記排気浄化装置は、前記吸蔵還元型触媒より上流に配置され、排気の空燃比がリーン空燃比であるときに排気中の酸素を吸蔵し、且つ排気の空燃比がリッチ空燃比であるときに酸素を脱離させる三元触媒を更に具備し、
    前記劣化診断装置は、前記三元触媒から流出する排気の空燃比に相関する物理量を測定する第三空燃比センサを更に備え、
    前記制御手段は、前記NH消費処理の実行後であって、且つ前記誘発処理の実行前に、内燃機関で燃焼される混合気の空燃比を理論空燃比からリッチ空燃比へ変更する処理であって、前記三元触媒に吸蔵されている酸素を脱離させる処理であるO脱離処理を、前記第三空燃比センサの測定値が理論空燃比からリッチ空燃比に変化するまで実行する排気浄化装置の劣化診断装置。
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