JP4428974B2

JP4428974B2 - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP4428974B2
Application number: JP2003320028A
Authority: JP
Inventors: 広樹松岡; 幸久山本
Original assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-09-11
Filing date: 2003-09-11
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2023-09-11
Also published as: ES2384614T3; EP1515015B1; EP1515015A3; JP2005083352A; EP1515015A2

Description

本発明は、内燃機関の排気系に設けられた触媒に対する未燃燃料成分の供給を通じて該触媒の昇温を図る昇温制御を実施する内燃機関の排気浄化装置に関する。

従来、特許文献１にみられるように、車載ディーゼル機関等の内燃機関に適用される排気浄化装置として、排気成分の浄化を行う触媒と、その触媒の排気上流側の排気に対して燃料を添加する添加弁とを内燃機関の排気系に備える装置が知られている。こうした排気浄化装置では、添加弁から排気中への燃料添加を通じて触媒床温を上昇させる昇温制御を行うことがある。

昇温制御では、排気に対する添加弁からの燃料添加を通じて、触媒に燃料を直接送り込むことで該触媒に対する未燃燃料成分、すなわち炭化窒素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）、酸素（Ｏ₂）等の供給を行う。そして排気中や触媒上での未燃燃料成分の酸化反応に伴う発熱により、触媒を昇温させるようにしている。
特開平５−４４４３４号公報

ところが、そうした排気浄化装置での昇温制御に際して、次のような不具合が生じることが確認された。すなわち、機関運転状況によっては、昇温制御中に、排気温度の低下等によって触媒が不活性状態となり、上記未燃燃料成分の酸化反応が一時的に滞ることがある。一旦、そうした状態となると、触媒上に未燃燃料が付着したまま残留し、排気に晒される触媒の表面積が減少することから、触媒の活性度合がより一層低下してしまう。そしてそうした悪循環により、未燃燃料成分が供給されているにも拘わらず、触媒床温が低下する触媒の失活現象が発生する。

昇温制御中に触媒が失活状態となると、触媒に供給された未燃燃料が不完全燃焼状態のまま外気に排出されてしまうため、スモークの多量発生といった排気エミッションの悪化を招く虞がある。更に上記のように触媒表面に多量の未燃燃料が付着した状態となると、排気温度の上昇等によって触媒が再活性された際に、触媒表面に堆積した未燃燃料の酸化反応が一気に進むことで、一時に多量の熱が発生して触媒の過昇温を招いたりする虞もある。

本発明の解決しようとする課題は、昇温制御中の触媒の失活現象による不具合を好適に回避することのできる内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果を記載する。
（手段）
請求項１に記載の発明は、排気系に設けられた触媒に対する未燃燃料成分の供給を通じて触媒床温を昇温させる昇温制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記昇温制御の開始後に前記未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇が確認された後に、前記触媒が不活性状態であることを示す不活性判定温度以下に触媒床温が低下したことが検出されたとき、前記未燃燃料成分の供給を中止する中止手段を備えることをその要旨とする。

請求項２に記載の発明は、排気系に設けられた触媒に対する未燃燃料成分の供給を通じて触媒床温を昇温させる昇温制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、前記昇温制御の開始後に触媒床温が、前記未燃燃料成分の供給に伴い触媒床温が上昇したことを示す活性判定温度以上となり、その後に前記触媒が不活性状態にあることを示す不活性判定温度以下に低下したことが検出されたとき、前記未燃燃料成分の供給を中止する中止手段を備えることをその要旨とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記不活性判定温度は、機関運転状態の履歴に基づき算出されることをその要旨とする。
請求項４に記載の発明は、請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒床温が前記不活性判定温度以下であることを、触媒の排気浄化反応に伴う発熱が無い状態での触媒床温と実際の触媒床温との偏差が所定値未満であることをもって検出することをその要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項２又は３に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒床温が前記不活性判定温度以下であることを、触媒の排気浄化反応が正常に生じているときの触媒床温と実際の触媒床温との偏差が所定値を超えていることをもって検出することをその要旨とする。

請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記中止手段は、前記触媒床温が前記不活性判定温度以下に低下したことが検出されたときであって、更に、前記触媒に流入する排気の温度が所定温度以下であるときに、前記未燃燃料成分の供給の中止を行うことをその要旨とする。

請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記中止手段は、前記触媒床温が前記不活性判定温度以下に低下したことが検出されたときであって、更に、当該内燃機関の燃焼室に吸入される空気の温度が所定温度以下であるときに、前記未燃燃料成分の供給の中止を行うことをその要旨とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置において、前記触媒床温の指標値として、前記排気系の触媒下流の排気温度を用いることをその要旨とする。

（作用効果）
昇温制御中に触媒が失活状態となると、未燃燃料成分の供給により一旦は上昇した触媒床温が低下してしまうこととなる。よって、昇温制御の開始後に前記未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇が確認された後に、触媒が不活性状態であることを示す所定の温度以下に触媒床温が低下したことが検出されれば、触媒の失活現象が発生したと判断することができる。そして、その検出とともに、未燃燃料成分の供給を中止すれば、触媒が失活状態となって供給された未燃燃料成分の酸化反応が十分に行われない状況となっているにも拘わらず、未燃燃料の供給が継続されてしまうことが回避される。したがって請求項１及び２に記載の構成によれば、上述したような昇温制御中の触媒の失活現象による不具合を好適に回避することができる。

なお触媒床温の変化は、排気系の触媒下流の排気温度に反映されるため、請求項８に記載のように、その排気温度を触媒床温の指標値として上記触媒の失活状態の検出を行うことも可能である。ちなみに触媒下流側の排気温度の検出は、触媒床温を直接検出するよりも容易であるため、その排気温度を触媒床温の指標値として用いることで、失活検出をより容易に行うことができる。

また触媒床温は、触媒に流入する排気の温度の変化によっても変化する。例えば触媒に流入する排気の温度が低くなれば、触媒床温もその分低下する。そのため、たとえ触媒が十分な活性状態にあっても、触媒に流入する排気が低温であれば、触媒床温が低くなってしまうことがある。触媒に流入する排気の温度は、機関運転状態の履歴に基づき推定することができる。そこで請求項３に記載の構成のように、機関運転状態の履歴に基づき不活性判定温度を算出するようにすれば、上記のような排気の温度の変化による触媒床温の変化に応じて、不活性判定温度を適正に設定することができ、より的確な触媒の失活状態の検出が可能である。

一方、失活現象が発生すれば、触媒の排気浄化反応に伴う発熱が低下するため、触媒床温は、触媒の排気浄化反応に伴う発熱が無い状態での触媒床温、すなわち触媒異常時の触媒床温に近づくこととなる。また触媒床温は、失活現象が発生すれば、触媒の排気浄化反応が正常に生じているときの触媒床温、すなわち触媒正常時の触媒床温と実際の触媒昇温との偏差が拡大することとなる。よって請求項４及び請求項５に記載の態様で、触媒床温が不活性判定温度以下であることの検出を行うことができる。またこのように上記触媒異常時、及び触媒正常時の触媒床温と実際の触媒床温との偏差に基づけば、不活性判定温度をより的確に定義できることから、より的確な触媒の失活状態の検出が可能となる。なお上記触媒異常時の触媒床温に所定値を加算したもの、或いは上記触媒正常時の触媒床温から所定値を減算したものを上記不活性判定温度として設定するとともに、触媒床温がその不活性判定温度以下に低下したことが検出されたとき、未燃燃料成分の供給を中止する構成は、請求項４、５に記載のものと実質的に同一の構成となる。

ところで触媒の失活現象は、排気の低温化がその主たる要因であり、触媒に流入する排気の温度が低い状況で昇温制御が実施されているときに発生することが確認されている。よって請求項６に記載のように、触媒床温が不活性判定温度以下に低下したことが検出されたときであって、更に触媒に流入する排気の温度が所定温度以下であるときに、上記未燃燃料成分の供給の中止を行うようにすれば、触媒の失活に応じた未燃燃料の供給中止をより的確に行うことができる。すなわち、実際には触媒が失活していない状況で不適切に未燃燃料成分の供給が中止されてしまうことを抑制することができる。

なお上記のような触媒に流入する排気の温度低下の要因の一つとして、燃焼室に吸入される空気の温度低下がある。よって、請求項７に記載のように、触媒床温が不活性判定温度以下に低下したことが検出されたときであって、更に燃焼室に吸入される空気の温度が所定温度以下であるときに、上記未燃燃料成分の供給の中止を行うことによっても、同様により的確な未燃燃料の供給中止を行うことができる。

以下、本発明の内燃機関の排気浄化装置を具体化した一実施形態を、図を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施形態の適用される内燃機関１０の構成を示している。この内燃機関１０は、コモンレール方式の燃料噴射装置、及びターボチャージャ１１を備えるディーゼル機関となっており、大きくは吸気通路１２、燃焼室１３、及び排気通路１４を備えて構成されている。

内燃機関１０の吸気系を構成する吸気通路１２には、その最上流部に配設されたエアクリーナ１５から下流側に向けて順に、エアフローメータ１６、上記ターボチャージャ１１のコンプレッサ１７、インタークーラ１８、及び吸気絞り弁１９が配設されている。また吸気通路１２は、吸気絞り弁１９の下流側に設けられた吸気マニホールド２０において分岐され、吸気ポート２１を介して内燃機関１０の各気筒の燃焼室１３に接続されている。

一方、内燃機関１０の排気系を構成する排気通路１４では、各気筒の燃焼室１３にそれぞれ接続された排気ポート２２は、排気マニホールド２３を介して上記ターボチャージャ１１の排気タービン２４に接続されている。また排気通路１４の排気タービン２４下流には、上流側から順に、ＮＯｘ触媒コンバータ２５、ＰＭフィルタ２６、酸化触媒コンバータ２７が配設されている。

ＮＯｘ触媒コンバータ２５には、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が担持されている。このＮＯｘ触媒は、排気の酸素濃度が高いときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気の酸素濃度が低いときにその吸蔵したＮＯｘを放出する。またＮＯｘ触媒は、上記ＮＯｘ放出時に、還元剤となる未燃燃料成分がその周囲に十分存在していれば、その放出されたＮＯｘを還元して浄化する。

ＰＭフィルタ２６は、多孔質材料によって形成されており、排気中のＰＭが捕集されるようになっている。このＰＭフィルタ２６にも、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５と同様に、吸蔵還元型のＮＯｘ触媒が担持されており、排気中のＮＯｘの浄化が行われるようになっている。またこのＮＯｘ触媒によって触発される反応により、上記捕集されたＰＭが燃焼（酸化）されて除去されるようにもなっている。

酸化触媒コンバータ２７には、酸化触媒が担持されている。この酸化触媒は、排気中の炭化水素（ＨＣ）や一酸化炭素（ＣＯ）を酸化して浄化する。
なお排気通路１４の上記ＰＭフィルタ２６の上流側及び下流側には、ＰＭフィルタ２６に流入する排気の温度である入ガス温度を検出する入ガス温度センサ２８、及びＰＭフィルタ２６通過後の排気の温度である出ガス温度を検出する出ガス温度センサ２９がそれぞれ配設されている。また排気通路１４には、上記ＰＭフィルタ２６の排気上流側とその排気下流側との差圧を検出する差圧センサ３０が配設されている。更に排気通路１４の上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５の排気上流側、及び上記ＰＭフィルタ２６と上記酸化触媒コンバータ２７との間には、排気中の酸素濃度を検出する２つの酸素センサ３１、３２がそれぞれ配設されている。

更にこの内燃機関１０には、排気の一部を吸気通路１２内の空気に再循環させる排気再循環（以下、ＥＧＲと記載する）装置が設けられている。ＥＧＲ装置は、排気通路１４と吸気通路１２とを連通するＥＧＲ通路３３を備えて構成されている。ＥＧＲ通路３３の最上流部は、排気通路１４の上記排気タービン２４の排気上流側に接続されている。ＥＧＲ通路３３には、その上流側から、再循環される排気を改質するＥＧＲ触媒３４、その排気を冷却するＥＧＲクーラ３５、その排気の流量を調整するＥＧＲ弁３６が配設されている。そしてＥＧＲ通路３３の最下流部は、吸気通路１２の上記吸気絞り弁１９の下流側に接続されている。

一方、内燃機関１０の各気筒の燃焼室１３には、同燃焼室１３内での燃焼に供される燃料を噴射するインジェクタ４０がそれぞれ配設されている。各気筒のインジェクタ４０は、高圧燃料供給管４１を介してコモンレール４２に接続されている。コモンレール４２には、燃料ポンプ４３を通じて高圧燃料が供給される。コモンレール４２内の高圧燃料の圧力は、同コモンレール４２に取り付けられたレール圧センサ４４によって検出されるようになっている。更に燃料ポンプ４３からは、低圧燃料供給管４５を通じて、低圧燃料が添加弁４６に供給されるようになっている。

こうした内燃機関１０の各種制御は、電子制御装置５０により実施されている。電子制御装置５０は、機関制御に係る各種演算処理を実行するＣＰＵ、その制御に必要なプログラムやデータの記憶されたＲＯＭ、ＣＰＵの演算結果等が一時記憶されるＲＡＭ、外部との間で信号を入・出力するための入・出力ポート等を備えて構成されている。

電子制御装置５０の入力ポートには、上述した各センサに加え、機関回転速度を検出するＮＥセンサ５１やアクセル操作量を検出するアクセルセンサ５２、吸気絞り弁１９の開度を検出する絞り弁センサ５３等が接続されている。また電子制御装置５０の出力ポートには、上記吸気絞り弁１９やＥＧＲ弁３６、インジェクタ４０、燃料ポンプ４３、添加弁４６等の駆動回路が接続されている。

電子制御装置５０は、上記各センサから入力される検出信号より把握される機関運転状態に応じて、上記出力ポートに接続された各機器類の駆動回路に指令信号を出力する。こうして上記吸気絞り弁１９の開度制御、上記ＥＧＲ弁３６の開度制御に基づくＥＧＲ制御、上記インジェクタ４０からの燃料噴射量、燃料噴射時期、及び燃料噴射圧の制御、上記添加弁４６からの燃料添加の制御等の各種制御が電子制御装置５０により実施されている。

以上の如く構成された本実施形態では、内燃機関１０の排気浄化性能を維持すべく、ＰＭ再生制御とＳ被毒回復制御とが必要に応じて実施されている。ＰＭ再生制御は、上記ＰＭフィルタ２６に捕集されたＰＭを燃焼させて浄化することで、同ＰＭフィルタ２６の目詰まりを防止するために実施される。またＳ被毒回復制御は、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５及びＰＭフィルタ２６に担持されたＮＯｘ触媒の硫黄酸化物（ＳＯｘ）の吸蔵によるＮＯｘ吸蔵能力の低下を解消すべく実施される。

これらのＰＭ再生やＳ被毒回復を行うには、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５やＰＭフィルタ２６の触媒床温を十分に高温化する必要がある。そこで、ＰＭ再生制御時やＳ被毒回復制御時には、ＰＭ再生やＳ被毒回復に必要な目標床温（例えば６００〜７００℃）まで触媒床温を昇温させる昇温制御が実施される。

昇温制御は、上記ＮＯｘ触媒に対する未燃燃料成分の供給によって、排気中や触媒上での未燃燃料成分の酸化に伴う発熱により、触媒床温の高温化を図る制御である。昇温制御では、上記添加弁４６からの排気に対する燃料添加を比較的短い間隔で継続的に繰り返すことで、ＮＯｘ触媒に対して未燃燃料成分の供給量を増大させるようにしている。

ちなみに本実施形態では、昇温制御は、下記条件すべての成立をもって実施される。
・ＰＭ再生、又はＳ被毒回復の要求時である。ここでのＰＭ再生要求は、上記差圧センサ３０の検出結果に基づき、上記ＰＭフィルタ２６の詰りの発生が確認されたときになされる。またＳ被毒回復要求は、機関運転状態の履歴に基づき算出されるＮＯｘ触媒のＳＯｘ吸蔵量が所定値を超えたときになされる。
・上記入ガス温度センサ２８の検出値（入ガス温度ｔｈｃｉ）が昇温制御実施の下限温度Ａ（例えば１５０℃）以上である。また機関運転状態の履歴から推定されるＮＯｘ触媒の触媒床温が、昇温制御実施の下限温度Ｂ以上である。これら下限温度Ａ、Ｂには、未燃燃料成分の供給に伴って触媒床温を上昇させられるだけの酸化反応を生じさせることのできる排気温度及び触媒床温の下限値がそれぞれ設定されている。
・入ガス温度センサ２８の検出値が、昇温制御に伴う発熱による触媒の過昇温を回避し得る温度範囲の上限値Ｂ未満である。
・出ガス温度センサ２９の検出値が、同じく昇温制御に伴う発熱による触媒の過昇温を回避し得る温度範囲の上限値Ｃ未満である。
・排気に対する燃料添加の実施が許可されている。すなわち、排気燃料添加の実施を許容できる機関運転状態にある。この内燃機関１０では、エンジンストール中でなく、気筒判別が終了しており、且つアクセル開度の制限がなされていないのであれば、排気燃料添加が許可されるようになっている。

更に本実施形態では、昇温制御中に、上述した触媒の失活現象による不具合を回避するための添加中止制御が実施されている。この添加中止制御は、昇温制御中の失活現象の発生が検出されているか否かの失活検出判定を行い、その結果、失活現象の発生が検出されたと判定されたときに上記添加弁４６からの排気に対する燃料添加を中止する制御である。以下、この添加中止制御の詳細を、図２〜図５を併せ参照して詳細に説明する。

この添加中止制御では、上記ＮＯｘ触媒コンバータ２５下流に配設された入ガス温度センサ２８の検出値（入ガス温度ｔｈｃｉ）と触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒとの偏差ｔｈｎｓｒｄｌに基づいて上記失活検出判定を実施するようにしている。触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒは、ＮＯｘ触媒コンバータ２５に担持されたＮＯｘ触媒の機能が完全に損なわれた状態、すなわちＮＯｘ触媒により誘発される反応に伴う発熱が全く無い状態を想定したときの入ガス温度ｔｈｃｉを推定して求めたものである。ここでは、触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒは、機関回転速度ｎｅや機関負荷（例えば燃料噴射量ｑｆｉｎ）の履歴に基づき推定して求められており、燃焼室１３からの排出直後の排気が低温の状態が継続すればその値は徐々に低下され、高温の状態が継続すればその値は徐々に増加されるようになっている。

図２に示すように、入ガス温度ｔｈｃｉは、燃焼室１３からの排出直後の排気温度ｔｈｅに、入ガス温度センサ２８に至るまでの排気通路１４での放熱による温度低下分ΔＴ１を減算し、及びＮＯｘ触媒コンバータ２５での未燃燃料成分等の反応に伴う発熱による温度上昇分ΔＴ２とを加算したものと言える（ｔｈｃｉ＝ｔｈｅｘ−ΔＴ１＋ΔＴ２）。一方、上記触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒは、そうした入ガス温度ｔｈｃｉから上記温度上昇分ΔＴ２を差し引いたものと見なすことができる（ｔｅｍｐｎｓｒ＝ｔｈｃｉ−ΔＴ２＝ｔｈｅｘ−ΔＴ１）。

ここで触媒が失活状態となり、供給された未燃燃料成分の酸化反応に伴う発熱が減少すれば、上記温度上昇分ΔＴ２が小さくなることから、入ガス温度ｔｈｃｉは、触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒに近づいていくこととなる。よって、昇温制御中の上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌ（＝ｔｈｃｉ−ｔｅｍｐｎｓｒ）が小さくなることをもって、失活現象の発生を検出することができる。

ちなみにこうした失活現象の検出は、ＰＭフィルタ２６下流側に配設された出ガス温度センサ２９の検出値（出ガス温度）を用いても、同様に行うことができる。ただし、未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇は、ＰＭフィルタ２６よりも、その上流側に配設されたＮＯｘ触媒コンバータ２５の方がより早期に起こることから、出ガス温度を用いる場合よりも失活状態をより早期に検出が可能なため、本実施形態ではその検出に入ガス温度ｔｈｃｉを用いている。

一方、未燃燃料成分の供給開始後、実際に触媒床温が上昇され始めるまでには、ある程度のタイムラグがあり、その間は、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌは小さい値を示す。また排気温度の低い状態で昇温制御が実施される場合等には、そうした状態が比較的長い期間、継続することもある。そこで本実施形態では、昇温制御の開始後に、未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇が一旦確認された後、触媒床温が低下したことをもって失活現象が発生したものと判定することで、そうした場合と失活現象の発生とを明確に区別するようにしている。すなわち、未燃燃料成分供給の継続により、その後に触媒床温が上昇され得る場合と、触媒が失活状態となっており、未燃燃料成分供給を継続しても、触媒床温の上昇が期待できない場合とを区別するようにしている。

なお触媒の失活現象は、排気の低温化がその主たる要因であり、触媒に流入する排気の温度が低い状況で昇温制御が実施されているときにのみ発生することが確認されている。そこで本実施形態では、燃焼室１３排出直後の排気温度、及び排気マニホールド２３の壁面温度を機関運転状態に基づき推定するとともに、それらの推定値（推定排気温度ｔｈｔ４、推定壁面温度ｔｈｅｘｍ）が所定温度（例えば２２０℃）以下のときに限り、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌに基づく失活検出判定を実施するようにしている。

図３は、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌに基づく失活検出判定の実施の可否を判定するための処理ルーチンを示している。本ルーチンの処理は、機関運転中に電子制御装置５０により、定時割込み処理として周期的に実施される。なお本ルーチンにおいては、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌに基づく失活検出判定の実施が許可されているか否かを示す判定許可フラグの操作がなされるようになっている。

さて本ルーチンの処理が開始されると、まずステップＳ１００において電子制御装置５０は、失活検出判定の前提条件が成立しているか否かの判定を行う。ここで前提条件が成立していれば（ＹＥＳ）、電子制御装置５０は処理をステップＳ１１０に進め、不成立であれば（ＮＯ）、電子制御装置５０は、処理をステップＳ１３０に進め、判定許可フラグをオフとした後、本ルーチンの処理を一旦終了する。

この前提条件は、下記の条件（ａ）〜（ｅ）のすべての成立をもって成立する。
（ａ）昇温制御中である。
（ｂ）上記推定排気温度ｔｈｔ４が所定値Ａ（例えば２２０℃）以下である。
（ｃ）排気マニホールド２３の上記推定壁面温度ｔｈｅｘｍが所定値Ｂ（例えば２２０℃）以下である。
（ｄ）排気マニホールド２３壁面の燃料付着量に基づく添加許可中である。
（ｅ）入ガス温度ｔｈｃｉに基づく添加許可中である。

なお本実施形態では、上記条件（ｄ），（ｅ）の不成立時には、排気燃料添加が禁止され、失活検出を実施する必要が無くなるため、これら条件（ｄ），（ｅ）を上記前提条件に加えている。ちなみに、排気マニホールド２３壁面の燃料付着量は、排気温度、外気温度、燃料添加量、燃料噴射量等の履歴に基づき推定して求められており、その付着量が十分に少ないときに限り、上記添加許可がなされるようになっている。また入ガス温度ｔｈｃｉに基づく添加許可は、入ガス温度ｔｈｃｉが、昇温制御を成立させるために、すなわち排気燃料添加に伴う触媒床温の高温化を図るために必要な下限温度（例えば１５０℃）以上となっていることを条件になされるようになっている。

さて電子制御装置５０は、上記ステップＳ１１０の処理に進むと、入ガス温度ｔｈｃｉが活性判定温度Ｄ（例えば４００℃）以上であるか否かを判定する。この活性判定温度Ｄには、上記条件（ｂ）、（ｃ）の成立するような排気の低温条件下で、未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇が生じていることが確実な入ガス温度ｔｈｃｉの下限値がその値として設定されている。ここで電子制御装置５０は、入ガス温度ｔｈｃｉが上記活性判定温度Ｄ以上であれば（ＹＥＳ）、処理をステップＳ１２０に進め、判定許可フラグをオンとして本処理を一旦終了する。

一方、電子制御装置５０は、入ガス温度ｔｈｃｉが上記活性判定温度Ｄ未満であれば（ＮＯ）、判定許可フラグを操作せず、そのまま本ルーチンの処理を一旦終了する。これにより、判定許可フラグは、触媒床温の上昇が少なくとも一時的に確認されて、一旦オンとされた後であれば、たとえその後に入ガス温度ｔｈｃｉが上記活性判定温度Ｄ未満となっても、オンとされたままとなる。

以上のように本ルーチンでは、昇温制御中に排気温度が低い状態となっており、且つ昇温制御の開始後に、未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇が確認されたときに、判定許可フラグがオンとされるようになっている。

図４は、本実施形態の添加中止制御ルーチンのフローチャートを示す。本ルーチンの処理は、電子制御装置５０によって、上記実施判定ルーチンに引き続き実施される。
本ルーチンの処理が開始されると、電子制御装置５０はまずステップＳ２００において上記判定許可フラグがオンであるか否かの判定を行う。ここで判定許可フラグがオフであれば（ＮＯ）、電子制御装置５０は処理をステップＳ２６０に進め、失活状態継続カウンタｃｏｕｎｔを値「０」とした後、本ルーチンの処理を一旦終了する。

一方、判定許可フラグがオンであれば、電子制御装置５０は処理をステップＳ２１０に進め、そのステップＳ２１０において、上述した入ガス温度ｔｈｃｉと触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒとの偏差ｔｈｎｓｒｄｌを算出する。

続くステップＳ２２０において電子制御装置５０は、上記算出された偏差ｔｈｎｓｒｄｌが不活性判定値Ｅ（例えば１００℃）未満であるか否かを、すなわち触媒が失活状態にあるか否かを判定する。

ここで電子制御装置５０は、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌが不活性判定値Ｅ以上であれば（ＮＯ）、処理を上記ステップＳ２６０に進める。また上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌが不活性判定値Ｅ未満であれば（ＹＥＳ）、電子制御装置５０は処理をステップＳ２３０に進め、上記失活状態継続カウンタｃｏｕｎｔをインクリメント（値に１を加算）する。これにより、失活状態継続カウンタｃｏｕｎｔは、触媒の失活状態が継続している限り、インクリメントされるようになり、その値は失活状態の継続時間を示すようになる。

上記ステップＳ２３０の処理の後、電子制御装置５０はステップＳ２４０において、上記失活状態継続カウンタｃｏｕｎｔの値が所定の失活継続判定値Ｆ以上であるか否かを、すなわち触媒の失活状態が所定時間（例えば１０秒）以上継続しているか否かを判定する。ここで電子制御装置５０は、上記失活状態継続カウンタｃｏｕｎｔの値が上記失活継続判定値Ｆ以上であれば（ＹＥＳ）、処理をステップＳ２５０に進め、そうでなければ（ＮＯ）、そのまま本ルーチンの処理を一旦終了する。

ステップＳ２５０では、電子制御装置５０は、失活時添加中止フラグをオンとし、本ルーチンの処理を一旦終了する。そしてここで失活時添加中止フラグがオンとされたことをもって、電子制御装置５０は、昇温制御における上記添加弁４６からの排気に対する燃料添加を中止する。

以上のように本実施形態では、入ガス温度ｔｈｃｉと触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒとの偏差ｔｈｎｓｒｄｌが不活性判定値Ｅ未満であることをもってＮＯｘ触媒が不活性状態にあると判定するようにしている。そして昇温制御の開始後に未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇（ｔｈｃｉ≧Ｄ以上）が確認されており、且つＮＯｘ触媒に流入する排気の温度が低い状況下（ｔｈｔ４≦Ａ）で、上記不活性状態が所定時間以上継続したことをもってＮＯｘ触媒が失活状態にあると判定し、排気燃料添加を中止するようにしている。

図５に、以上説明した本実施形態における添加中止制御の制御態様の一例を示す。
同図の例では、時刻ｔ１に、昇温制御の実施条件が成立し、上記添加弁４６からの排気燃料添加が開始されている。ここではその開始直後には、排気燃料添加に伴い触媒床温は正常に上昇されており、入ガス温度ｔｈｃｉも上昇されている。そして時刻ｔ２に、入ガス温度ｔｈｃｉが上記活性判定温度Ｄを超えると、判定許可フラグがオンとされる。

一方、同図の例では、その時刻ｔ２の後に、ＮＯｘ触媒が失活状態となり、未燃燃料成分の酸化反応が滞るようになって、入ガス温度ｔｈｃｉが低下し始めている。そして時刻ｔ３に、入ガス温度ｔｈｃｉと上記触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒとの偏差ｔｈｎｓｒｄｌが上記不活性判定値Ｅを下回ると、上記失活状態継続カウンタｃｏｕｎｔのインクリメントが開始される。なお同図では、触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒは一定値とされているが、実際には、機関運転状態による排気温度の変化に応じてその値は徐々に更新されている。

さて時刻ｔ４において、上記失活状態継続カウンタｃｏｕｎｔが上記失活継続判定値Ｆ以上となると、失活時添加中止フラグがオンとされ、上記添加弁４６からの排気燃料添加が中止される。これにより、ＮＯｘ触媒が失活状態となって、供給された未燃燃料成分の酸化反応が十分に行われない状況となっているにも拘わらず、未燃燃料の供給が継続されてしまうことが回避されている。

以上の本実施形態では、上記実施判定ルーチン及び添加中止制御ルーチンの処理が、上記中止手段の処理に対応する。また上記触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒに上記不活性判定値Ｅを加算したもの（ｔｅｍｐｎｓｒ＋Ｅ）が、上記不活性判定温度にそれぞれ相当している。

以上説明した本実施形態によれば、以下のような効果を奏することができる。
（１）本実施形態では、昇温制御の開始後に触媒床温の指標値である入ガス温度ｔｈｃｉが活性判定温度Ｄ以上となり、その後に入ガス温度ｔｈｃｉと触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒとの偏差ｔｈｎｓｒｄｌが不活性判定値Ｅ以下となったことをもって、排気燃料添加を中止させている。そのため、ＮＯｘ触媒の失活現象の発生を的確に検出することができ、またその失活現象に伴う白煙発生や触媒の過昇温等の不具合を好適に回避することができる。

（２）本実施形態では、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌに基づくＮＯｘ触媒の不活性状態の判定を、機関運転状態の履歴に基づき算出される触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒを用いて行っている。これにより、ＮＯｘ触媒の不活性状態の判定に用いられる不活性判定温度（＝ｔｅｍｐｎｓｒ＋Ｅ）が、ＮＯｘ触媒に流入する排気の温度変化に応じて適切な値に変更されることとなり、上記失活現象の発生を的確に検出することができる。

（３）本実施形態では、推定排気温度ｔｈｔ４が所定値Ａ以下で、ＮＯｘ触媒に流入する排気が低温な状況でのみ、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌに基づくＮＯｘ触媒の失活状態の検出を行うようにしている。すなわち、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌに基づくＮＯｘ触媒の失活状態の検出がなされ、且つＮＯｘ触媒に流入する排気の温度が所定値以下のときに、排気燃料添加が中止されるようになっている。そのため、ＮＯｘ触媒に流入する排気の低温化が主たる要因となって発生するＮＯｘ触媒の失活現象の発生を的確に検出することができ、実際にはＮＯｘ触媒が失活していない状況で不適切な排気燃料添加の中止を好適に抑制することができる。

なお、上記実施形態は、以下のように変更して実施することもできる。
（変形例１）
上記実施形態では、ＮＯｘ触媒の機能が損なわれ、排気浄化反応（未燃燃料成分の酸化反応）に伴う発熱が無い状態での入ガス温度ｔｈｃｉの推定値である触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒを用いてＮＯｘ触媒の不活性状態の検出を行うようにしている。そして機関運転状態の履歴に基づき触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒを随時算出して更新するようにしている。

こうした触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒと同様に、ＮＯｘ触媒が十分な活性状態にあり、排気浄化反応が正常に生じているとき、すなわち触媒正常時の入ガス温度ｔｈｃｉも機関運転状態の履歴から推定することができる。そして昇温制御中にＮＯｘ触媒の失活現象が生じれば、その触媒正常時の入ガス温度ｔｈｃｉの推定値と実際の入ガス温度ｔｈｃｉとの偏差が拡大することから、その偏差を上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌの代わりに用いて失活現象の検出を行い、上記添加中止制御を行うこともできる。

例えば図４に示した上記添加中止制御のステップＳ２１０、Ｓ２２０に代えて、図６のステップＳ２１０’、Ｓ２２０’の処理を実施すれば、そうした態様の添加中止制御を行うことができる。

この場合、電子制御装置５０は、図４のステップＳ２００において判定許可フラグがオンである旨の判定がなされると、ステップＳ２１０’の処理に進み、そのステップＳ２１０’において、触媒正常時の入ガス温度ｔｈｃｉの推定値と実際の入ガス温度ｔｈｃｉとの偏差ｔｈｎｓｒｄｌ’を算出する。そして続くステップＳ２２０’において電子制御装置５０は、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌ’が所定の不活性判定値Ｇを超えているか否かの判定を行う。ここで電子制御装置５０は、上記偏差ｔｈｎｓｒｄｌ’が所定の不活性判定値Ｇを超えていれば（ＹＥＳ）、ＮＯｘ触媒が不活性状態にあるとして、処理を図４のステップＳ２３０に進め、そうでなければ（ＮＯ）、処理を図４のステップＳ２６０に進める。

（変形例２）
上記実施形態の失活検出判定の実施判定ルーチン（図３）では、推定排気温度ｔｈｔ４が所定値Ａ以下であることを前提条件の一つ（条件（ｂ））として用いており、その成立をもってＮＯｘ触媒に流入する排気が低温状態であると判定するようにしていた。こうしたＮＯｘ触媒に流入する排気の温度低下の要因の一つとして、燃焼室１３に吸入される空気の温度（吸気温度）の低下がある。すなわち、吸気温度が低下すれば、燃焼室１３の燃焼に伴い発生する熱量が同じであっても、その分、燃焼室１３から排出される排気の温度が低下し、ＮＯｘ触媒流入時の排気温度も低下する。

そこで吸気温度ｔｈａが所定温度以下であることを、排気燃料添加中止の実施条件や失活検出判定の前提条件として加えることでも、実際にはＮＯｘ触媒が失活していない状況で不適切な排気燃料添加の中止を好適に抑制することができる。

例えば図３の失火検出判定の実施判定ルーチンのステップＳ１００を、図７のステップＳ１００’に変更することで、そうした構成の具現が可能である。この場合、電子制御装置５０は、上記条件（ｂ）に代えて、次の条件（ｂ’）を用いて、失活検出判定の前提条件の成立の可否を判断することとなる。
（ｂ’）吸気温度ｔｈａが所定値Ｈ以下である。

（その他の実施の形態）
更に上記実施形態及びその変形例１、２を以下のように変更することもできる。
・上記実施形態及び変形例１では、入ガス温度ｔｈｃｉと触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒ又は触媒正常時の入ガス温度の推定値との偏差をまず求め、その偏差と不活性判定値Ｅとの対比に基づき、ＮＯｘ触媒の不活性状態の有無を判定するようにしていた。この判定を次の態様で行う様にしても良い。
（Ｉ）触媒故障判定温度ｔｅｍｐｎｓｒを求めた後、その値に不活性判定値Ｅを加算して不活性判定温度を算出する。または触媒正常時の入ガス温度の推定値を求めた後、その値から不活性判定値Ｇを減算して不活性判定温度を算出する。
（II）入ガス温度ｔｈｃｉが上記（Ｉ）にて算出された不活性判定温度以下であることをもって、ＮＯｘ触媒が不活性状態にあると判定する。

・機関運転状態の履歴等に基づき上記不活性判定温度を直接算出して上記ＮＯｘ触媒の不活性状態の有無を判定するようにしても良い。またＮＯｘ触媒に流入する排気の温度変化に伴う入ガス温度ｔｈｃｉの変化がそうした判定に与える影響が十分に小さいのであれば、上記不活性判定温度を固定値として与える様にしても良い。

・上記実施形態及びその変形例では、入ガス温度ｔｈｃｉを触媒床温の指標値として用いてＮＯｘ触媒の失活判定を行うようにしていたが、上記出ガス温度センサ２９の検出値（出ガス温度）を同様に触媒床温の指標値として用いても、同様にＮＯｘ触媒の失活判定を行うことはできる。また触媒床温を直接検出するセンサを備える場合には、その検出値を用いてＮＯｘ触媒の失活判定を行う様にしても良い。

・上記実施形態では、昇温制御中のＮＯｘ触媒に対する未燃燃料成分の供給を上記添加弁４６からの排気燃料添加を通じて行うようにしていたが、それ以外の手段で未燃燃料成分の供給を行う内燃機関の排気浄化装置にも本発明は同様に適用することができる。例えば、上記インジェクタ４０から、燃焼室１３内の燃焼に供される燃料の噴射（例えばパイロット噴射やメイン噴射）がなされた後の膨張行程や排気行程中に燃料の副噴射を、いわゆるアフター噴射を行うことでも、ＮＯｘ触媒に対する未燃燃料成分の供給を行い、触媒昇温の高温化を図ることができる。そしてその場合にも、上記実施形態やその変形例と同様にしてＮＯｘ触媒の失活状態を検出し、その検出とともにアフター噴射を中止することで、ＮＯｘ触媒の失活状態に伴う不具合を回避することができる。

・本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、図１に例示した構成以外の内燃機関にも同様に適用することができる。要は、排気系に設けられた触媒に対する未燃燃料成分の供給を通じて触媒床温を昇温する昇温制御の行われる内燃機関の排気浄化装置であれば、本発明は上記実施形態やその変形例と同様、或いはそれに準じた態様で適用することが可能である。

本発明の一実施形態の適用される内燃機関の全体構成を示す模式図。入ガス温度と触媒故障判定温度との対応関係を示す模式図。上記実施形態の失活検出判定の実施判定ルーチンのフローチャート。同実施形態の添加中止制御ルーチンのフローチャート。同実施形態の添加中止制御の制御態様の一例を示すタイムチャート。同実施形態の変形例１における添加中止制御ルーチンの変更部分のフローチャート。同実施形態の変形例２における失活検出判定の実施判定ルーチンの変更部分のフローチャート。

符号の説明

１０…内燃機関、１１…ターボチャージャ、１２…吸気通路、１３…燃焼室、１４…排気通路、１５…エアクリーナ、１６…エアフローメータ、１７…コンプレッサ、１８…インタークーラ、１９…吸気絞り弁、２０…吸気マニホールド、２１…吸気ポート、２２…排気ポート、２３…排気マニホールド、２４…排気タービン、２５…ＮＯｘ触媒コンバータ、２６…ＰＭフィルタ、２７…酸化触媒コンバータ、２８…入ガス温度センサ、２９…出ガス温度センサ、３０…差圧センサ、３１，３２…酸素センサ、３３…ＥＧＲ通路、３４…ＥＧＲ触媒、３５…ＥＧＲクーラ、３６…ＥＧＲ弁、４０…燃料噴射弁、４１…高圧燃料供給管、４２…コモンレール、４３…燃料ポンプ、４４…レール圧センサ、４５…低圧燃料供給管、４６…添加弁、５０…電子制御装置、５１…ＮＥセンサ、５２…アクセルセンサ、５３…絞り弁センサ。

Claims

排気系に設けられた触媒に対する未燃燃料成分の供給を通じて触媒床温を昇温させる昇温制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、
前記昇温制御の開始後に前記未燃燃料成分の供給に伴う触媒床温の上昇が確認された後に、前記触媒が不活性状態であることを示す不活性判定温度以下に触媒床温が低下したことが検出されたとき、前記未燃燃料成分の供給を中止する中止手段を備える
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
排気系に設けられた触媒に対する未燃燃料成分の供給を通じて触媒床温を昇温させる昇温制御を行う内燃機関の排気浄化装置において、
前記昇温制御の開始後に触媒床温が、前記未燃燃料成分の供給に伴い触媒床温が上昇したことを示す活性判定温度以上となり、その後に前記触媒が不活性状態にあることを示す不活性判定温度以下に低下したことが検出されたとき、前記未燃燃料成分の供給を中止する中止手段を備える
ことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記不活性判定温度は、機関運転状態の履歴に基づき算出される請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒床温が前記不活性判定温度以下であることを、触媒の排気浄化反応に伴う発熱が無い状態での触媒床温と実際の触媒床温との偏差が所定値未満であることをもって検出する請求項１〜３のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒床温が前記不活性判定温度以下であることを、触媒の排気浄化反応が正常に生じているときの触媒床温と実際の触媒床温との偏差が所定値を超えていることをもって検出する請求項１〜４のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記中止手段は、前記触媒床温が前記不活性判定温度以下に低下したことが検出されたときであって、更に、前記触媒に流入する排気の温度が所定温度以下であるときに、前記未燃燃料成分の供給の中止を行う請求項１〜５のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記中止手段は、前記触媒床温が前記不活性判定温度以下に低下したことが検出されたときであって、更に、当該内燃機関の燃焼室に吸入される空気の温度が所定温度以下であるときに、前記未燃燃料成分の供給の中止を行う請求項１〜６のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記触媒床温の指標値として、前記排気系の触媒下流の排気温度を用いる請求項１〜７のいずれか１項に記載の内燃機関の排気浄化装置。