JP4412399B2 - 内燃機関の異常検出装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の異常検出装置に関する。

機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒に尿素水を供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関において、ＮＯ_x選択還元触媒下流の機関排気通路内に尿素水から生成されるアンモニア等を検出可能なセンサを配置し、尿素水の供給量を変化させたときにセンサの出力信号の変化が予測される変化と異なるときには欠陥が存在すると判断するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−１７６７１９号公報

しかしながら尿素水の供給量又は質が正規の値からずれた場合でもセンサの出力信号の変化は予測された変化とは異なり、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化した場合でもセンサの出力信号は予測された変化とは異なるのでこのような方法では尿素水の供給量又は質が正規の値からずれたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒が劣化したのかを判断できないという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に配置されたＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにした内燃機関の異常検出装置において、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときおよび尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときのいずれであってもとり得るＮＯ_x浄化率の領域が判定領域として予め定められたＮＯ_x選択還元触媒の第１の温度範囲内に設定されており、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはとり得ずＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率の領域が第１の異常領域として第１の温度範囲よりも全体的に高い予め定められたＮＯ_x選択還元触媒の第２の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはとり得ず尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率が第２の異常領域として第２の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒の温度が第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が判定領域内にあると判定された場合においてＮＯ_x選択還元触媒の温度が第２の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が第１の異常領域内にあると判定された場合にはＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたと判断され、ＮＯ_x選択還元触媒の温度が第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が判定領域内にあると判定された場合においてＮＯ_x選択還元触媒の温度が第２の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が第２の異常領域内にあると判定された場合には尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたと判断される。

ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを確実に判断することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_x選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_x選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。

ＮＯ_x選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内に配置された分散板１４ａに向けて噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１５において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯ_x選択還元触媒１５の下流側にはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度を検出するための温度センサ２８が配置され、酸化触媒１６の下流には排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するためのＮＯ_xセンサ２９が配置される。これらの温度センサ２８、ＮＯ_xセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

一方、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ₂はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ₂に転換されるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯ_x選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。一方、ＮＯ_x選択還元触媒１５にＨＣが吸着するとアンモニアの吸着量が減少するためにＮＯ_x浄化率が低下する。従って酸化触媒１２によりＨＣを酸化することによってＮＯ_x浄化率が低下するのが阻止される。

パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。また、ＮＯ_x選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_x浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯ_x選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

さて、図１に示される実施例ではＮＯ_x選択還元触媒１５は２００℃程度で活性化し、ＮＯ_x選択還元触媒１５が活性化した後は排気ガス中に含まれるＮＯ_xを還元するのに必要な量の尿素水が尿素水供給弁１７から供給される。図２（Ａ）はＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化しておらずしかも尿素水の供給量が排気ガス中のＮＯ_xを還元するのに必要な正規の値に維持されていると共に尿素水の質が予め定められている正規の質に維持されているときのＮＯ_x浄化率ＮＲとＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣとの関係を示している。

図２（Ａ）からわかるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが活性温度まで上昇するとＮＯ_x浄化率ＮＲは急速にピーク値まで上昇し、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが更に上昇するとＮＯ_x浄化率ＮＲはピーク値に維持される。ところで触媒温度ＴＣが比較的低いときには尿素水供給弁１７から供給された尿素水はアンモニアの形で一旦ＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着され、排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されたアンモニアと反応して還元せしめられる。

一方、触媒温度ＴＣが高くなるとアンモニアはＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されなくなり、このとき排気ガス中のＮＯ_xは尿素水から生成されたアンモニアと気相で反応して還元せしめられるようになる。図２（Ｂ）はこのことを模式的に表わしている。即ち、図２（Ｂ）に示されるように触媒温度ＴＣが高くなるにつれて吸着アンモニアによるＮＯ_xの還元反応の割合が減少し、ＮＯ_xとアンモニアの気相反応の割合が増大する。

ところで大気中に排出されるＮＯ_x排出量に対しては国又は地域毎に異なる排出基準が設定されている。この場合、予め定められたモードで車両が運転されたときのＮＯ_xの総排出量が通常ＮＯ_x排出量の判断基準として用いられ、車両が予め定められた期間使用された後のＮＯ_x排出量が予め定められた基準量以下となるように排出基準が定められている。

更に、この排出基準に加えてＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えてはならないという排出規制が設定されている。この規制値は国或いは地域によって異なるがＮＯ_x排出基準量の２倍或いは３倍等であり、ＮＯ_x排出量がこの規制値を越えた場合には異常箇所を示す警告灯を点灯させることを義務付けている国もある。

本発明ではＮＯ_x排出量が異常に増大する原因としてＮＯ_x選択還元触媒１５の劣化および尿素水の供給量又は質の変化を取り上げ、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒１５に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにしている。

次にこのことについて図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）は規制値がＮＯ_x排出基準量の２倍である場合を例にとって示しており、これら図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）において破線ＡはＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量となるときのＮＯ_x浄化率ＮＲを示している。即ち、別の言い方をするとＮＯ_x浄化率ＮＲが図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）において破線Ａで示すように触媒温度ＴＣに対して変化する状態のときに車両が予め定められたモードで運転されたとするとこのときのＮＯ_x排出量はＮＯ_x排出基準量となる。なお、以下破線Ａで示すＮＯ_x浄化率ＮＲを基準ＮＯ_x浄化率Ａと称する。

さて、図２（Ｃ）には、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍である規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲが実線Ｂ１で示されており、ＮＯ_x選択還元触媒１５の触媒作用が完全に失なわれたときのＮＯ_x浄化率ＮＲが実線Ｂ２で示されている。ここでＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍になったということは基準ＮＯ_x浄化率Ａの場合に比べてＮＯ_x浄化率が５０パーセントに低下したことを意味しており、従って実線Ｂ１は基準ＮＯ_x浄化率Ａに対してＮＯ_x浄化率ＮＲが５０パーセントの場合を示していると言える。

ところでＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニアの吸着作用および吸着アンモニアによるＮＯ_xの還元作用は触媒の活性に支配される。従って図２（Ｂ）に示されるように吸着アンモニアによるＮＯ_xの還元作用が支配的となるとき、即ち触媒温度ＴＣが比較的低いときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化すると図２（Ｃ）において実線Ｂ１，Ｂ２で示されるようにＮＯ_x浄化率ＮＲが大巾に低下する。

これに対し、ＮＯ_xの還元作用が気相で行われるときにはＮＯ_xの還元作用は触媒の活性にほとんど支配されない。従って図２（Ｂ）に示されるように気相におけるＮＯ_xの還元作用が支配的となるとき、即ち触媒温度ＴＣが比較的高いときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化しても図２（Ｃ）において実線Ｂ１，Ｂ２で示されるようにＮＯ_x浄化率ＮＲはさほど低下しない。

即ち、実線Ｂ１に示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化してＮＯ_x浄化率が５０パーセント低下したときにはＮＯ_x浄化率ＮＲは触媒温度ＴＣが上昇するにつれて高くなり、４５０°以上ではＮＯ_x浄化率ＮＲは基準ＮＯ_x浄化率Ａに近接する。一方、実線Ｂ２に示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の触媒作用が完全に失なわれたときでもＮＯ_x浄化率ＮＲは触媒温度ＴＣが上昇するにつれて高くなり、５００℃以上ではＮＯ_x浄化率ＮＲが５０パーセント以上となる。

次に尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x浄化率ＮＲが低下する場合について説明する。尿素水の供給量は機関の運転状態に応じて予め定められているが例えば尿素水供給弁１７のノズル口の目詰りにより供給量が予め定められている正規の値に対して減少するとＮＯ_x浄化率が低下する。また、正規の尿素水ではなく品質の粗悪なアンモニア濃度の低い尿素水が使用されたり、或いは尿素水タンク２０内に他の液体、例えば水が加えられたりするとＮＯ_x浄化率が低下する。

図３（Ａ）には、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍である規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲが実線Ｃで示されている。前述したようにＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍になったということは基準ＮＯ_x浄化率Ａの場合に比べてＮＯ_x浄化率が５０パーセントに低下したことを意味しており、従って実線Ｃは基準ＮＯ_x浄化率Ａに対してＮＯ_x浄化率ＮＲが５０パーセントの場合を示していると言える。

尿素水供給弁１７のノズル口の目詰りや尿素水の濃度低下が生ずると尿素水の供給量にかかわらずにＮＯ_xの還元に必要なアンモニア量が一定の割合で一律に低下し、従って図３において実線Ｃに示されるようにＮＯ_x浄化率ＮＲは基準ＮＯ_x浄化率Ａに対して触媒温度ＴＣにかかわらずに一定の割合で一律に低下することになる。

図２（Ｃ）と図３（Ａ）とを比較するとわかるようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したときと、尿素水の供給量又は質に異常が生じたときとでは触媒温度ＴＣに対するＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンが異なる。従ってこのＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンの差異を利用することによってＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したのか、或いは尿素水の供給量又は質に異常が生じたのかを判断できることになる。

そこで本発明ではこのＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンの差異を利用して、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒１５に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにしている。次にこのことについて図２（Ｃ）および図３（Ａ）を統合した図３（Ｂ）を参照しつつ説明する。

図３（Ｂ）は代表的な例として、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x浄化率ＮＲが基準ＮＯ_x浄化率Ａに対して５０パーセント以上低下したか否か、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x浄化率ＮＲが基準ＮＯ_x浄化率Ａに対して５０パーセント以上低下したか否かを判断するようにした場合を示している。

なお、図３（Ｂ）に基づいてこのような判断をする場合、ＮＯ_x選択還元触媒１５が少し劣化し、尿素水の供給量又は質が多少異常になることは別として、５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下をもたらすようなＮＯ_x選択還元触媒１５の劣化および５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下をもたらすような尿素水の供給量又は質の異常は同時に発生しないことを前提としている。

まず初めに図３（Ｂ）において触媒温度ＴＣが活性温度ＴＣ₀以上でありかつ触媒温度ＴＣが曲線Ｂ１と曲線Ｃとの交点に当る触媒温度ＴＣａよりも低い場合について説明すると、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合には各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｂ１以下となり、尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合には各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｃ以下となる。

このようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合には各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｂ１以下となるので、ＮＯ_x浄化率ＮＲが曲線Ｂ１よりも上で曲線Ｃより下の領域、即ち図３（Ｂ）においてハッチングＸ₁で示される領域にあるときには尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じていることになる。

このようにＮＯ_x浄化率ＮＲが領域Ｘ₁であるときには尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じていることが確定するのでこの領域Ｘ₁は異常確定領域と称される。

一方、ＮＯ_x浄化率ＮＲが曲線Ｂ１よりも下の領域、即ち図３（Ｂ）においてハッチングＸ₂で示される領域にあるときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じているのか、或いは尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じているのかはわからない。

従ってこの場合には、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じているのか、或いは尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じているのかを判定する必要がある。従ってハッチングＸ₂で示される領域は判定領域と称される。

図３（Ｂ）に示す例ではこの判定は触媒温度ＴＣが曲線Ｂ２と曲線Ｃとの交点に当る触媒温度ＴＣ₂よりも高くなったときに行われる。触媒温度ＴＣがＴＣ₂よりも高い状態では、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合には各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｂ１と曲線Ｂ２との間のハッチングＹ₁で示される領域となり、尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合には各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｃ以下のハッチングＹ₂で示される領域となる。

即ち、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合にはＮＯ_x浄化率ＮＲは領域Ｙ₁となり、領域Ｙ₂となることはあり得ない。従ってＮＯ_x浄化率ＮＲが領域Ｙ₁にあるときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じていることになる。この領域Ｙ₁は第１の異常領域と称される。

一方、尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合には各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは領域Ｙ₂となり、領域Ｙ₁となることはあり得ない。従ってＮＯ_x浄化率ＮＲが領域Ｙ₂にあるときには尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じていることになる。この領域Ｙ₂は第２の異常領域と称される。

このように図３（Ｂ）に示す例では触媒温度ＴＣが低いときにＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂となった場合、触媒温度ＴＣが高くなったときにＮＯ_x浄化率ＮＲが第１の異常領域Ｙ₁になったときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じていると判断できることになり、触媒温度ＴＣが低いときにＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂となった場合、触媒温度ＴＣが高くなったときにＮＯ_x浄化率ＮＲが第２の異常領域Ｙ₂になったときには尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じていると判断できることになる。

なお、これまで図３（Ｂ）に示される一具体例に基づいて本発明を説明してきたが、以下本発明を一般的な表現を用いて再度説明することとする。

即ち、本発明は一般的な表現を用いるとＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたときおよび尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたときのいずれであってもとり得るＮＯ_x浄化率ＮＲの領域が判定領域Ｘ₂として予め定められたＮＯ_x選択還元触媒１５の第１の温度範囲内に設定されており、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはとり得ずＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率ＮＲの領域が第１の異常領域Ｙ₁として第１の温度範囲よりも全体的に高い予め定められたＮＯ_x選択還元触媒１５の第２の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはとり得ず尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率ＮＲが第２の異常領域Ｙ₂として第２の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂内にあると判定された場合においてＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが第２の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率ＮＲが第１の異常領域Ｙ₁内にあると判定された場合にはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたと判断され、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂内にあると判定された場合においてＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが第２の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率ＮＲが第２の異常領域Ｙ₂内にあると判定された場合には尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたと判断される。

また、本発明では、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはとり得ず尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率ＮＲの領域が異常確定領域Ｘ₁として上述の第１の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率ＮＲが異常確定領域Ｘ₁内にあると判定されたときには尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたと判断される。

なお、図３（Ｂ）からわかるように、この異常確定領域Ｘ₁は判定領域Ｘ₂よりもＮＯ_x浄化率ＮＲの高い側において判定領域Ｘ₂に隣接した領域である。また、図３（Ｂ）からわかるように第１の異常領域Ｙ₁は第２の異常領域Ｙ₂に比べてＮＯ_x浄化率ＮＲの高い側にある。

次に一般的表現を用いて各曲線Ｂ１，Ｂ２，Ｃを規定し、一般的表現を用いて規定された各曲線Ｂ１，Ｂ２，Ｃにより各領域Ｘ₁，Ｘ₂，Ｙ₁，Ｙ₂を規定することとする。

即ち、図３（Ｂ）からわかるようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｂ１で示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の活性後、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが上昇するにつれて基準ＮＯ_x浄化率Ａに向け上昇し、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｃで示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の活性後、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣにかかわらずに基準ＮＯ_x浄化率Ａに対して一定の割合で一律に低下する。

この場合、図１３（Ｂ）に示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲと尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲとはＮＯ_x選択還元触媒１５の活性後、固有のＮＯ_x選択還元触媒温度ＴＣａにおいて等しくなる。

なお、前述した第１の温度範囲はＮＯ_x選択還元触媒１５の活性温度ＴＣ₀とこの固有のＮＯ_x選択還元触媒温度ＴＣａとの間に設定されている。

また、図３（Ｂ）からわかるようにこの第１の温度範囲内では、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときの曲線Ｂ１で示されるＮＯ_x浄化率ＮＲは、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときの曲線Ｃで示されるＮＯ_x浄化率ＮＲよりも低く、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときの曲線Ｂ１で示されるＮＯ_x浄化率ＮＲよりもＮＯ_x浄化率ＮＲの低い領域が判定領域Ｘ₂として設定されている。

また、図３（Ｂ）において曲線Ｂ２で示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の触媒作用が完全に失なわれたときであってもＮＯ_x浄化率ＮＲはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが上昇したときに高くなり、このときのＮＯ_x浄化率ＮＲと尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときの曲線Ｃで示されるＮＯ_x浄化率ＮＲとは固有のＮＯ_x選択還元触媒温度ＴＣａよりも高い特定のＮＯ_x選択還元触媒温度ＴＣ₂において等しくなる。

なお、前述した第２の温度範囲はこの特定のＮＯ_x選択還元触媒温度ＴＣ₂よりも高い温度領域内に設定されており、図３（Ｂ）に示される具体例ではこの第２の温度範囲の下限がこの特定の触媒温度ＴＣ₂とされている。

一方、図３（Ｂ）からわかるようにこの第２の温度範囲内において、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときの曲線Ｂ１で示されるＮＯ_x浄化率ＮＲとＮＯ_x選択還元触媒１５の触媒作用が完全に失なわれたときの曲線Ｂ２で示されるＮＯ_x浄化率ＮＲとの間の領域が第１の異常領域Ｙ₁として設定されており、この第２の温度範囲内において、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値に達したときの曲線Ｃで示されるＮＯ_x浄化率ＮＲよりもＮＯ_x浄化率ＮＲの低い領域が第２の異常領域Ｙ₂として設定されている。

第２の温度範囲における異常判定は触媒温度ＴＣが運転状態の変化により第２の温度範囲内になるのを待って行われる。しかしながら触媒温度ＴＣが第２の温度範囲内まで上昇しない場合もあり、この場合には第２の温度範囲における異常判定を行えないことになる。

そこで本発明による実施例ではＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが第１の温度範囲のときにＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂にあると判定され、その後予め定められた期間中に第２の温度範囲にならなかったときにはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが第２の温度範囲になるまでＮＯ_x選択還元触媒１５が昇温せしめられる。

また、本発明による実施例ではＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_x浄化率ＮＲを検出する必要がある。そのために機関から単位時間当り排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図４に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、ＮＯ_xセンサ２９により検出されたＮＯ_x濃度と排気ガス量、即ち吸入空気量とからＮＯ_x選択還元触媒１５からの単位時間当りの排出ＮＯ_x量が求まる。従って図４に示されるＮＯ_x量ＮＯＸＡとＮＯ_xセンサ２９の検出値からＮＯ_x浄化率ＮＲが求まることになる。

次に図５を参照しつつ異常検出ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図５を参照するとまず初めにステップ５０において例えば車両が運転される毎に一回行われる異常検出が完了したことを示している完了フラグがセットされているか否かが判別される。完了フラグがセットされているときには処理サイクルを完了し、完了フラグがセットされていないときにはステップ５１に進む。ステップ５１では触媒温度ＴＣが活性温度ＴＣ₀を越えたか否かが判別され、触媒温度ＴＣが活性温度ＴＣ₀を越えるとステップ５２に進んで異常検出が開始される。

即ち、ステップ５２ではΣＭに一定時間ΔＭが加算され、従ってΣＭはＴＣ＞ＴＣ₀になったときからの経過時間を表わしている。なお、この場合、ΔＭとしては一定時間の代りに吸入空気量、燃料噴射量或いは車速を用いることもできる。次いでステップ５３では判定フラグがセットされているか否かが判別される。最初にステップ５３に進んだときには判定フラグはセットされていないのでステップ５４に進む。

ステップ５４では触媒温度ＴＣが第１の温度範囲内の図３（Ｂ）に示される予め定められた温度ＴＣ₁になったか否かが判別される。触媒温度ＴＣがＴＣ₁になるとステップ５５に進んで図４に示されるマップおよびＮＯ_xセンサ２９の出力信号からＮＯ_x浄化率ＮＲが算出される。次いでステップ５６ではＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂内にあるか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂内にないときにはステップ５８に進んで今度はＮＯ_x浄化率ＮＲが異常確定領域Ｘ₁内にあるか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率ＮＲが異常確定領域Ｘ₁内にないときには処理サイクルを完了する。

これに対し、ステップ５６においてＮＯ_x浄化率ＮＲが判定領域Ｘ₂内にあると判定されたときにはステップ５７に進んで判定フラグがセットされる。判定フラグがセットされると次の処理サイクルではステップ５３からステップ５９に進んで経過時間ΣＭが予め定められた時間ＭＸを越えたか否かが判別される。ΣＭ≦ＭＸのときにはステップ６１にジャンプし、触媒温度ＴＣが図３（Ｂ）に示される予め定められた温度ＴＣ₂を越えたか否かが判別される。触媒温度ＴＣがＴＣ₂を越えたときにはステップ６２に進んで異常判定が行われる。

これに対し、触媒温度ＴＣがＴＣ₂まで上昇せず、ステップ５９においてΣＭ＞ＭＸになったと判断されたときにはステップ６０に進んでＮＯ_x選択還元触媒１５の昇温作用が行われる。この昇温作用は例えば燃料噴射時期を遅らせて排気ガス温を上昇させることにより、或いは酸化触媒１２の上流に追加の燃料を添加してこの燃料による酸化反応熱を発生させることにより行われる。昇温作用が開始された後、ステップ６１においてＴＣ＞ＴＣ₂になったと判断されたときにはステップ６２に進んで昇温作用が停止される。なお、当然のことながら昇温作用が行われることなくＴＣ＞ＴＣ₂となったときにはステップ６２では何も行われない。

次いでステップ６３では図４に示されるマップおよびＮＯ_xセンサ２９の出力信号からＮＯ_x浄化率ＮＲが算出される。次いでステップ６４ではＮＯ_x浄化率ＮＲが第１の異常領域Ｙ₁内にあるか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率ＮＲが第１の異常領域Ｙ₁内にないときにはステップ６７にジャンプし、今度はＮＯ_x浄化率ＮＲが第２の異常領域Ｙ₂内にあるか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率ＮＲが第２の異常領域Ｙ₂内にないときには処理サイクルを完了する。

これに対し、ステップ６４においてＮＯ_x浄化率ＮＲが第１の異常領域Ｙ₁内にあると判別されたときにはステップ６５に進み、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたことを示す警報が発せられる。次いでステップ６６において完了フラグがセットされる。

一方、ステップ６７においてＮＯ_x浄化率ＮＲが第２の異常領域Ｙ₂内にあると判別されたときにはステップ６８に進む。また、ステップ５８においてＮＯ_x浄化率ＮＲが異常確定領域Ｘ₁内にあると判別されたときにもステップ６８に進む。ステップ６８では尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたことを示す警報が発せられ、次いでステップ６９において完了フラグがセットされる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯ_x浄化率ＮＲと触媒温度ＴＣとの関係等を示す図である。 ＮＯ_x浄化率ＮＲと触媒温度ＴＣとの関係を示す図である。 機関からの排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 異常を検出するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_x選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁

Claims (10)

1. 機関排気通路内に配置されたＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いは該ＮＯ_x選択還元触媒に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにした内燃機関の異常検出装置において、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときおよび尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときのいずれであってもとり得るＮＯ_x浄化率の領域が判定領域として予め定められたＮＯ_x選択還元触媒の第１の温度範囲内に設定されており、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにはとり得ずＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率の領域が第１の異常領域として上記第１の温度範囲よりも全体的に高い予め定められたＮＯ_x選択還元触媒の第２の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにはとり得ず尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率が第２の異常領域として上記第２の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒の温度が上記第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が上記判定領域内にあると判定された場合においてＮＯ_x選択還元触媒の温度が上記第２の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が上記第１の異常領域内にあると判定された場合にはＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたと判断され、ＮＯ_x選択還元触媒の温度が上記第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が上記判定領域内にあると判定された場合においてＮＯ_x選択還元触媒の温度が上記第２の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が上記第２の異常領域内にあると判定された場合には尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたと判断される内燃機関の異常検出装置。
2. ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにはとり得ず尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにとり得るＮＯ_x浄化率の領域が異常確定領域として上記第１の温度範囲内に設定されており、ＮＯ_x選択還元触媒の温度が上記第１の温度範囲内にあるときにＮＯ_x浄化率が該異常確定領域内にあると判定されたときには尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたと判断される請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
3. 上記異常確定領域は上記判定領域よりもＮＯ_x浄化率の高い側において該判定領域に隣接した領域である請求項２に記載の内燃機関の異常検出装置。
4. 上記第１の異常領域は上記第２の異常領域に比べてＮＯ_x浄化率の高い側にある請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
5. ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒の活性後、ＮＯ_x選択還元触媒の温度が上昇するにつれて上昇し、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒の活性後、ＮＯ_x選択還元触媒の温度にかかわらずに一定の割合で一律に低下し、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率と尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率とはＮＯ_x選択還元触媒の活性後、固有のＮＯ_x選択還元触媒温度において等しくなり、上記第１の温度範囲はＮＯ_x選択還元触媒の活性温度と上記固有のＮＯ_x選択還元触媒温度との間に設定されている請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
6. 上記第１の温度範囲内では、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率は、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率よりも低く、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率よりもＮＯ_x浄化率の低い領域が上記判定領域として設定されている請求項５に記載の内燃機関の異常検出装置。
7. ＮＯ_x選択還元触媒の触媒作用が完全に失なわれたときであってもＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒の温度が上昇したときに高くなると共にこのときのＮＯ_x浄化率と尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率とは上記固有のＮＯ_x選択還元触媒温度よりも高い特定のＮＯ_x選択還元触媒温度において等しくなり、上記第２の温度範囲は該特定のＮＯ_x選択還元触媒温度よりも高い温度領域内に設定されている請求項６に記載の内燃機関の異常検出装置。
8. 上記第２の温度範囲内において、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率とＮＯ_x選択還元触媒の触媒作用が完全に失なわれたときのＮＯ_x浄化率との間の領域が上記第１の異常領域として設定されており、上記第２の温度範囲内において、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値に達したときのＮＯ_x浄化率よりもＮＯ_x浄化率の低い領域が上記第２の異常領域として設定されている請求項７に記載の内燃機関の異常検出装置。
9. ＮＯ_x選択還元触媒の温度が上記第１の温度範囲のときにＮＯ_x浄化率が上記判定領域にあると判定され、その後予め定められた期間中に上記第２の温度範囲にならなかったときにはＮＯ_x選択還元触媒の温度が上記第２の温度範囲になるまでＮＯ_x選択還元触媒が昇温せしめられる請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
10. ＮＯ_x浄化率を求めるためにＮＯ_x選択還元触媒下流の機関排気通路内にＮＯ_xセンサを配置した請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。

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