JP5763466B2 - 内燃機関の排気浄化システム - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化システムに関する。より詳しくは、還元剤の存在下で排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を選択的に還元する選択還元触媒（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）を備えた、内燃機関の排気浄化システムに関する。

従来、排気中のＮＯｘを浄化する排気浄化システムの１つとして、アンモニア（ＮＨ_３）などの還元剤により排気中のＮＯｘを選択的に還元する選択還元触媒を排気通路に設けたものが提案されている。例えば、尿素添加式の排気浄化システムでは、選択還元触媒の上流側からＮＨ_３の前駆体である尿素水を供給し、この尿素水から排気の熱で熱分解又は加水分解することでＮＨ_３を生成し、このＮＨ_３により排気中のＮＯｘを選択的に還元する。このような尿素添加式のシステムの他、例えば、アンモニアカーバイドのようなＮＨ_３の化合物を加熱することでＮＨ_３を生成し、このＮＨ_３を直接添加するシステムも提案されている。

このような選択還元触媒を備えたシステムには、ＮＯｘ浄化性能の過剰な低下を未然に防ぐため、選択還元触媒やこれに関わる装置の故障や劣化を走行中の車両で判定する劣化判定装置が搭載されている。以下では、尿素添加式の排気浄化システムを例として、選択還元触媒の劣化を判定する従来の技術について説明する。

例えば、特許文献１には、排気通路に選択還元触媒とＮＨ_３酸化触媒とが直列に設けられたシステムにおいて、選択還元触媒とＮＨ_３酸化触媒との間のＮＨ_３を検出するＮＨ_３センサおよびＮＨ_３酸化触媒の下流側のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサの検出値に基づいて、選択還元触媒の劣化を判定するシステムが示されている。

また特許文献２には、選択還元触媒の下流側に設けられたＮＨ_３センサの検出値に基づいて選択還元触媒の劣化を判定するシステムが示されている。このシステムでは、選択還元触媒は劣化が進行するとＮＨ_３を吸着する能力が低下することに着目しており、選択還元触媒から意図的にＮＨ_３をスリップさせるとともに、このＮＨ_３スリップを検出したタイミングに基づいて選択還元触媒の劣化を判定する。

特開２００９−１５６２２９号公報 特開２０１１−１２２４９３号公報

しかしながら、選択還元触媒は常に同じ態様で劣化が進行するとは限らない。すなわち、選択還元触媒におけるＮＨ_３の吸着性能（ＮＨ_３最大ストレージ容量）の低下は、数ある劣化形態における一側面が表れているにしか過ぎないため、従来の技術では、具体的にどのような類の劣化が進行しているかを詳細に判定することができない。

より具体的には、選択還元触媒の熱劣化が進むと、選択還元触媒に含まれている金属、例えば鉄が酸化鉄になってしまう場合がある。選択還元触媒中の金属成分の酸化が進行すると、選択還元触媒では、ＮＯｘを還元するために供給されたＮＨ_３をＮＯｘに酸化するようになってしまい、供給した尿素水が無駄になるだけでなく選択還元触媒によるＮＯｘ浄化性能も低下してしまう。しかしながら従来では、このようないわば選択還元触媒の酸化触媒化といった類の劣化を特定して検知する技術については、十分には検討されていない。

本発明は、選択還元触媒の酸化触媒化を判定できる内燃機関の排気浄化システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気系（例えば、後述の排気管４）に設けられ、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化し、かつこの還元剤を吸着する選択還元触媒（例えば、後述の選択還元触媒４３）と、前記排気系のうち前記選択還元触媒より上流側に還元剤（例えば、後述のＮＨ_３）又はその前駆体（例えば、後述の尿素水）を供給する還元剤供給手段（例えば、後述のインジェクタ４６）と、前記選択還元触媒から下流側の排気の還元剤の濃度を検出する還元剤センサ（例えば、後述のＮＨ_３センサ５２）と、前記選択還元触媒の温度を直接的に検出又は間接的に推定する触媒温度取得手段（例えば、後述の排気温度センサ５３およびＥＣＵ６など）と、を備えた内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）を提供する。当該排気浄化システムは、前記選択還元触媒の温度がその活性温度以上かつその還元剤の最大ストレージ容量が小さくなる温度領域（例えば、後述の高温領域）内に設定された劣化判定温度（例えば、後述の図６における劣化判定温度）より高いときに、所定量の還元剤又は前駆体を前記還元剤供給手段から供給させた後、前記還元剤センサの検出値が所定の酸化劣化判定値（例えば、後述の軽度劣化判定値および過度劣化判定値）以下の場合には、前記選択還元触媒は還元剤又は前駆体をＮＯｘに酸化する酸化劣化状態にあると判定する劣化判定手段（例えば、後述のＥＣＵ６に構成された触媒劣化判定部６３）を備え、前記所定量は、劣化のない正常な選択還元触媒に流入するＮＯｘを還元するのに必要な量を超えて還元剤又は前駆体を供給したときに前記還元剤センサの検出値が前記酸化劣化判定値よりも大きな値を示す量であることを特徴とする。

選択還元触媒が活性温度以上かつ還元剤の最大ストレージ容量が小さくなる温度領域にあるときにおいて、選択還元触媒の下流側の還元剤センサの検出値が酸化劣化判定値より大きくなるような量の還元剤又は前駆体（以下、還元剤等という）を供給すると、選択還元触媒が劣化していない正常な状態であるならば、供給した還元剤等のうちＮＯｘの還元に消費されなかった余分な量の還元剤が選択還元触媒からスリップし、還元剤センサは期待通り酸化劣化判定値より大きな値を出力すると考えられる。しかし、還元剤センサが酸化劣化判定値より大きな値を出力するような量の還元剤等を供給したときに、選択還元触媒が熱劣化により酸化触媒化した状態にある場合、上記余分な量の還元剤は選択還元触媒において酸化されＮＯｘに変化するため、選択還元触媒の下流側へスリップする還元剤の量は正常な場合より減り、還元剤センサは期待に反して酸化劣化判定値以下の値を出力すると考えられる。本発明では、選択還元触媒が酸化触媒化するような劣化状態にある場合における以上のような特性に基づいて、選択還元触媒が酸化劣化状態にあることを判定することができる。
ところで、鉄や銅などの金属の酸化を起因として選択還元触媒が酸化触媒化した場合、その酸化機能は、比較的高い温度で発現すると考えられる。そこで本発明では、劣化判定を行う時期を、選択還元触媒の温度が活性温度以上かつ還元剤の最大ストレージ容量が小さくなる温度領域内に設定された劣化判定温度より高くなるようなときに限ることにより、選択還元触媒が酸化劣化状態にあるか否かを精度良く判定できる。

この場合、前記劣化判定手段により前記選択還元触媒が酸化劣化状態にあると判定された場合には、排気の温度の上昇を抑制する制御を実行することが好ましい。

選択還元触媒の酸化触媒化が軽微であるならば、還元剤等を酸化する酸化機能は、ＮＯｘの還元反応が高効率で進行する温度領域よりも高い温度領域でのみ発現すると考えられる。したがって本発明では、選択還元触媒が酸化劣化状態にあると判定された場合には、排気の温度の上昇を抑制する制御を実行することで、選択還元触媒における還元剤等のＮＯｘへの酸化反応の進行を抑制しながら、かつＮＯｘを高効率で還元することができる。

この場合、前記酸化劣化判定値は、第１判定値（例えば、後述の軽度劣化判定値）と当該第１判定値より小さな第２判定値（例えば、後述の過度劣化判定値）とで構成され、前記劣化判定手段は、前記還元剤センサの検出値が前記第２判定値より大きく前記第１判定値以下である場合には、前記選択還元触媒は軽度の酸化劣化状態にあると判定し、前記還元剤センサの検出値が前記第２判定値以下である場合には、前記選択還元触媒は酸化劣化が過度に進行しておりＮＯｘ浄化性能が著しく低下した状態であると判定することが好ましい。

酸化触媒化が進行するほど、酸化される還元剤等の量が増えるため、劣化判定時の還元剤センサの検出値は小さくなると考えられる。そこで本発明では、酸化劣化判定値を、第１判定値と第２判定値と２つの閾値で構成するとともに、これら閾値と還元剤センサの検出値とを比較することにより、単に酸化劣化したことのみならずその進行度合いをも判定できる。また、選択還元触媒の酸化触媒化が軽微であるならば、排気の温度制御によりＮＯｘ浄化性能を維持できるものの、酸化触媒化が過度に進行すると、排気の温度制御ではＮＯｘ浄化性能を維持できず触媒交換や修理などが必要となるところ、このように、酸化劣化の進行度合いも判定することにより、進行度合いに応じた適切な制御を実行したり、運転者に対し触媒交換や修理などを適切なタイミングで促したりできる。

この場合、前記選択還元触媒に与えられた熱負荷の積算値を算出する熱負荷積算手段（例えば、後述のＥＣＵ６および図６のＳ１の実行に係る手段）をさらに備え、前記熱負荷の積算値が大きくなるほど、前記劣化判定温度を低い温度に変更することが好ましい。

酸化劣化は、選択還元触媒に熱負荷がかかることによって進行すると考えられる。そこで本発明では、熱負荷の積算値が大きくなるほど劣化判定温度を低い温度に変更することにより、熱負荷の積算値が小さく酸化劣化が殆ど進行していないと考えられる時期には不要な劣化判定が頻繁に行われないようにし、熱負荷の積算値が大きく酸化劣化がある程度進行しているであろうと考えられる時期には適切な頻度で劣化判定を行うことができる。

この場合、前記選択還元触媒に与えられた熱負荷の積算値を算出する熱負荷積算手段（例えば、後述のＥＣＵ６および図６のＳ１の実行に係る手段）をさらに備え、前記熱負荷の積算値が大きくなるほど、前記第１判定値および前記第２判定値の両方又は何れかを大きな値に変更することが好ましい。

選択還元触媒の酸化劣化が進行すると、酸化機能の発現と併せて還元剤の吸着能力が低下することから、劣化判定時における還元剤センサの検出値は大きくなる傾向があると考えられる。本発明では、酸化劣化の進行度合いと概ね比例していると考えられる熱負荷の積算値が大きくなるほど、第１判定値および第２判定値の両方又は何れかを大きな値に変更することにより、酸化劣化の判定精度を高めることができる。

この場合、前記排気系のうち前記選択還元触媒より上流側に設けられた排気浄化フィルタ（例えば、後述のＣＳＦ４２）と、前記排気浄化フィルタを再生するために、当該排気浄化フィルタに流入する排気を昇温する排気昇温手段（例えば、後述のＥＣＵ６に構成された排気温度制御部６２およびエンジン１など）と、をさらに備え、前記劣化判定手段は、前記排気昇温手段による前記排気浄化フィルタの再生の実行に合わせて、前記選択還元触媒の劣化状態を判定することが好ましい。

本発明では、排気浄化フィルタの再生の実行に合わせて選択還元触媒の劣化状態を判定することにより、選択還元触媒の温度を確実に劣化判定温度より高くできるので、劣化判定精度をさらに高めることができる。

この場合、前記排気系のうち前記還元剤供給手段の還元剤又は前駆体の供給部より上流側には酸化触媒が設けられ、前記選択還元触媒には、鉄ゼオライト又は銅ゼオライトが含まれていることが好ましい。

酸化触媒には白金などの貴金属が含まれているところ、酸化触媒から剥がれた貴金属が下流側の選択還元触媒に付着する場合があるが、本発明によれば、このような酸化触媒の故障も選択還元触媒の酸化劣化として認識することができる。また、選択還元触媒には、還元剤を吸着するために鉄ゼオライトや銅ゼオライトが含められるが、本発明によれば、鉄ゼオライトや銅ゼオライトが酸化鉄や酸化銅になったことを、選択還元触媒の酸化劣化として認識することができる。

本発明の一実施形態に係る排気浄化システムの構成を示す模式図である。 正常な状態の選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化特性を示す図である。 酸化劣化が進んだ状態の選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化特性を示す図である。 図３に示す状態からさらに酸化劣化が進んだ状態の選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化特性を示す図である。 選択還元触媒におけるＮＨ_３の吸着特性を示す図である。 選択還元触媒の劣化判定の手順を示すフローチャートである。 熱負荷積算値に基づいて劣化判定温度を設定するためのマップの一例を示す図である。 熱負荷積算値に基づいて各種判定値を設定するためのマップの一例を示す図である。

以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１およびその排気浄化システム２の構成を示す模式図である。エンジン１は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に搭載されている。

排気浄化システム２は、エンジン１の排気管４に設けられた酸化触媒４１と、排気中のスートを捕集するＣＳＦ４２と、排気中のＮＯｘを還元する選択還元触媒４３と、スリップ抑制触媒４５、選択還元触媒４３に尿素水を噴射するインジェクタ４６と、電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）６と、を含んで構成される。

酸化触媒４１は、排気中のＨＣおよびＣＯを酸化し浄化する他、排気中のＮＯを酸化しＮＯ_２に変換し、選択還元触媒４３，４５におけるＮＯｘの還元を促進する。
ＣＳＦ（Ｃａｔａｌｙｚｅｄ Ｓｏｏｔ Ｆｉｌｔｅｒ）４２は、ＣＳＦ４２は、排気がフィルタ壁の微細な孔を通過する際、排気中の炭素を主成分とするスートを、フィルタ壁の表面およびフィルタ壁中の孔に堆積させることによって捕集する。また、このフィルタ壁には、酸化触媒が塗布されているため、上述の酸化触媒４１と同様に、排気中のＣＯ、ＨＣ、およびＮＯを酸化する機能を有する。

選択還元触媒４３は、ＮＨ_３等の還元剤が存在する雰囲気下で、排気中のＮＯｘを選択的に還元する。選択還元触媒４３には、鉄ゼオライト又は銅ゼオライトが含まれており、これにより供給されたＮＨ_３を所定量だけ吸着し保持しておくことが可能となっている。以下、選択還元触媒４３に吸着されているＮＨ_３の量をストレージ量といい、またこの選択還元触媒４３において吸着できるＮＨ_３の最大量を最大ストレージ容量という。この最大ストレージ容量は、後に図５を参照して説明するように、選択還元触媒４３の温度が高くなるに従い低下し、また劣化が進行することによっても低下する。

スリップ抑制触媒４５は、ＮＯｘの還元に供されることも吸着されることもなく選択還元触媒４３から下流側へ排出したＮＨ_３が、システム外へ排出されるのを抑制する。このスリップ抑制触媒４５は、例えば、選択還元触媒で構成される。これにより、選択還元触媒４３からスリップしたＮＨ_３を吸着しておき、このＮＨ_３で排気中のＮＯｘを還元することができるので、尿素水を効率的にＮＯｘの還元に供することができるので、効率的にＮＨ_３のシステム外へのスリップを抑制できる。

インジェクタ４６は、図示しないポンプにより圧送された尿素水を排気管４内の選択還元触媒４３の上流側に噴射する。インジェクタ４６により噴射された尿素水は、排気の熱により熱分解又は加水分解されて還元剤としてのＮＨ_３が生成される。生成されたＮＨ_３は、選択還元触媒４３に供給され、これらＮＨ_３により、排気中のＮＯｘが選択的に還元される。また、このインジェクタ４６からの単位時間当りの尿素水の噴射量［ｍｇ／ｓ］は、後述のＥＣＵ６の尿素水噴射制御部６１により決定される。

また、この排気浄化システム２には、エンジン１の運転状態や選択還元触媒４３の状態を検出するためのＮＯｘセンサ５１、ＮＨ_３センサ５２および排気温度センサ５３などの各種センサの他、選択還元触媒４３の劣化やインジェクタ４６および各種センサ５１〜５３などの異常を運転者に報知するための警告灯５４が設けられている。

ＮＯｘセンサ５１は、排気管４のうち、インジェクタ４６により尿素水が噴射される場所よりも上流側の排気中のＮＯｘ濃度［ｐｐｍ］を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。ＮＨ_３センサ５２は、排気管４のうち、選択還元触媒４３の下流側の排気中のＮＨ_３濃度［ｐｐｍ］を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。排気温度センサ５３は、選択還元触媒４３の下流側の排気の温度［℃］を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ６に送信する。

ＥＣＵ６には、選択還元触媒４３への尿素水の噴射量を決定するための尿素水噴射制御部６１、選択還元触媒４３を流通する排気の温度を制御するための排気温度制御部６２、並びに選択還元触媒４３の劣化を判定するための触媒劣化判定部６３などの制御ブロックが構成されている。

尿素水噴射制御部６１は、ＮＨ_３センサ５２の検出値に対する目標値を設定するとともに、ＮＨ_３センサ５２の検出値がこの目標値に一致するように、各種センサ５１〜５３の検出値などに基づいてインジェクタ４６からの単位時間当りの尿素水の噴射量を決定する。

ＮＨ_３センサ５２の目標値は、通常制御時には通常スリップレンジ内に設定され、後述の選択還元触媒４３の劣化判定時には通常スリップレンジよりも大きな領域に設定された劣化判定レンジ内に設定される。

選択還元触媒４３は、そのＮＨ_３ストレージ量が大きいほどＮＯｘ浄化率が高くなるため、通常制御時は、選択還元触媒４３は最大ストレージ容量に相当する量のＮＨ_３が吸着された状態を維持し続けることが好ましい。すなわち、選択還元触媒４３におけるＮＯｘ浄化率を高く維持するためには、ＮＨ_３センサが０よりも大きな検出値を出力し続けることが好ましい。しかしながら、スリップ抑制触媒４５に多量のＮＨ_３が流入し続けると、このスリップ抑制触媒４５でもＮＨ_３のスリップを抑制できなくなるため、ＮＨ_３センサの検出値は、十分に小さな値に維持する必要がある。したがって通常制御時は、ＮＨ_３センサ５２の検出値に対する目標値を、０よりも僅かに大きな通常スリップレンジ（例えば、５〜１０ｐｐｍ）内に設定することが好ましい（後述の図６中Ｓ４参照）。これにより、選択還元触媒４３におけるＮＯｘ浄化率を高く維持しながら、システム外へのＮＨ_３のスリップを抑制することができる。

また、図６を参照して説明するように、選択還元触媒４３の劣化判定時には、選択還元触媒４３から通常制御時よりも多くのＮＨ_３を意図的にスリップさせるため、上記通常スリップレンジよりも大きな領域に設定された劣化判定レンジ（例えば、１０〜３０ｐｐｍ）内にＮＨ_３センサ５２の目標値を設定する（後述の図６中Ｓ５参照）。

なお、選択還元触媒４３に流入するＮＯｘの量や選択還元触媒４３のＮＨ_３ストレージ量などに応じて、ＮＨ_３センサ５２の検出値が、以上のように設定された目標値に一致するような尿素水の噴射量を決定する具体的な手法については、本願出願人による国際公開第２００９／１２８１６９に詳しく記載されているので、ここではこれ以上詳細な説明を省略する。

排気温度制御部６２は、選択還元触媒４３におけるＮＯｘ浄化率が高く維持されるように排気の温度を制御する。後に図２〜図４を参照して説明するように、選択還元触媒４３におけるＮＯｘ浄化率は、選択還元触媒４３がその最適温度（例えば、２５０℃）の近傍にあるときに最大となる特性がある。そこで、排気温度制御部６２は、選択還元触媒４３において効率的にＮＯｘを還元できるように、エンジン１の燃料噴射量や燃料噴射時期などを調整することで排気温度を制御する。より具体的には、例えば、エンジン１の始動直後であれば選択還元触媒４３の温度が上記最適温度まで速やかに上昇するように、また車両の走行中であれば選択還元触媒４３の温度が上記最適温度の近傍に維持されるように排気温度を制御する。

また、ＣＳＦ４２におけるスートの堆積量が増加すると、圧損が増加しひいては燃費が悪化する。そこで、排気温度制御部６２は、ＣＳＦ４２におけるスートの堆積量が所定の閾値を超えたことに応じて、堆積したスートを燃焼除去しＣＳＦ４２を再生するべく、ＣＳＦ４２に流入する排気を一時的に上昇させる所謂ＣＳＦ４２の再生処理を実行する。

次に、図２〜図５を参照して、選択還元触媒の劣化形態について説明する。
図２は、いかなる劣化も殆ど進行していない正常な状態の選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化特性を示す図である。図２中、実線はＮＯｘ浄化率と選択還元触媒の温度（以下、単に「触媒温度」という）との関係を示し、破線はＮＯｘ還元反応の反応速度と触媒温度との関係を示す。実線および破線、何れも十分なＮＨ_３存在下にある選択還元触媒の特性を示す。

選択還元触媒が正常である場合、選択還元触媒では、ＮＨ_３の酸化反応が殆ど進行しないため、ＮＯｘ浄化率はＮＯｘ還元反応の反応速度にほぼ比例する。また、ＮＯｘ浄化率は、選択還元触媒の活性温度（例えば、１６０℃程度）より高い最適温度（例えば、２５０℃程度）で最大となるように上に凸の特性を示す。

図３は、図２の正常な状態から酸化劣化が進んだ状態の選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化特性を示す図である。図３中、一点鎖線はＮＨ_３酸化反応の反応速度と触媒温度との関係を示す。
選択還元触媒に含まれる鉄ゼオライトや銅ゼオライトが酸化し、酸化鉄や酸化銅になると、選択還元触媒では、供給されたＮＨ_３や尿素水を酸化しＮＯｘに変化するＮＨ_３酸化反応が進行するため、その分だけＮＯｘ浄化率が低下する。また、酸化鉄や酸化銅などを介して進行するＮＨ_３酸化反応は、選択還元触媒におけるＮＯｘ還元反応の最適温度よりも高い温度で進行するため、ＮＨ_３酸化反応を起因としたＮＯｘ浄化率の低下は、選択還元触媒の最適温度よりも高い高温領域において顕著となる。

図４は、図３に示す状態からさらに酸化劣化が進んだ状態の選択還元触媒におけるＮＯｘ浄化特性を示す図である。
図４に示すように、酸化劣化がさらに進行すると、ＮＨ_３酸化反応が進行する温度領域は最適温度側へ拡がり、またその反応速度も速くなる。このため、ＮＯｘ浄化率の低下は、高温領域内において図３に示す状態よりもさらに顕著となる。また、選択還元触媒の温度が高温領域にある場合、ＮＯｘ還元反応よりもＮＨ_３酸化反応の方が進行してしまい、ＮＯｘ浄化率が負、すなわち選択還元触媒に流入するＮＯｘの量よりも多い量のＮＯｘが選択還元触媒から排出されるという事態が生じてしまう。したがって。図４に示す程度にまで酸化劣化が進行した場合、選択還元触媒の交換が必要となる。

なお、選択還元触媒の上流側に設けられた酸化触媒やＣＳＦに含まれる貴金属が剥がれ、選択還元触媒に付着することによっても図３や図４に示すような選択還元触媒の酸化劣化と同様にＮＨ_３酸化反応が進行すると考えられる。ただし、選択還元触媒に貴金属が付着した場合、選択還元触媒におけるＮＨ_３酸化反応は、図３に示すような高温領域だけでなく、それよりも低い温度においても進行すると考えられる。

以下では、図２に示すような特性を有する選択還元触媒を「正常触媒」といい、図３に示すような特性を有する選択還元触媒を「軽度の酸化劣化触媒」といい、図４に示すような特性を有する選択還元触媒を「過度の酸化劣化触媒」という。

図５は、選択還元触媒におけるＮＨ_３の吸着特性を示す図である。より具体的には、ＮＨ_３の最大ストレージ容量と触媒温度との関係を示す図である。また、図５中、実線は正常触媒を示し、破線は軽度の酸化劣化触媒を示し、一点鎖線は過度の酸化劣化触媒を示す。

ＮＨ_３の最大ストレージ容量は、触媒温度が高くなるに従い低下する特性がある。また、ＮＨ_３の最大ストレージ容量は、劣化が進行することによっても低下する特性がある。図３および図４を参照して説明したように、選択還元触媒が酸化劣化すると、活性温度および最適温度よりも高い高温領域においてＮＨ_３酸化反応が進行するが、このような高温領域では、酸化劣化の進行度合いにかかわらず最大ストレージ容量は十分に小さくなる。

次に、以上のような特性を有する選択還元触媒の劣化を判定する具体的な手順について、図６〜図８を参照して説明する。
図６は、選択還元触媒の劣化判定の手順を示すフローチャートである。この図に示す劣化判定処理は、ＥＣＵに構成された触媒劣化判定部により、所定の周期ごとに実行される。

Ｓ１では、選択還元触媒の温度の推定値と、選択還元触媒に与えられた熱負荷の積算値を算出する。ここで、触媒温度の推定値は、排気温度センサの検出値に基づいて算出され、熱負荷積算値は、触媒温度と当該触媒温度に選択還元触媒をさらし続けた時間とを乗算したものを積算することにより算出される。

Ｓ２では、Ｓ１で算出した熱負荷積算値に基づいて劣化判定温度を設定し、Ｓ３では、Ｓ１において算出した触媒温度が劣化判定温度以下であるか否か判別し、ＹＥＳである場合にはＳ４に移る。ここで、劣化判定温度は、選択還元触媒の酸化劣化状態を判定するのに適した時期であるか否かを判別するために触媒温度に対して設定された閾値である。

図７は、熱負荷積算値に基づいて劣化判定温度を設定するためのマップの一例を示す図である。
劣化判定温度は、選択還元触媒の活性温度以上でありかつＮＨ_３最大ストレージ容量が十分に小さくなるような高温領域（図２〜５参照）内に設定される。また、図３および図４を参照して説明したように、選択還元触媒の酸化劣化反応は、高温領域において発現し、また劣化の進行に合わせて最適温度側にシフトする。そこで、このような酸化劣化の特性に合わせて、不必要な劣化判定処理の実行をできるだけ抑制するべく、劣化判定温度は、熱負荷積算値が０であるときの初期温度を例えば３５０℃として、熱負荷積算値が大きくなるほど低い温度に変更される。なお、この劣化判定温度は、ＣＳＦ再生処理の実行時やエンジンの高負荷運転時において達しうる温度である。

図６に戻って、Ｓ３の判別がＹＥＳの場合、すなわち触媒温度が劣化判定温度以下である場合、Ｓ４に移り、選択還元触媒の劣化判定の一連の手順を実行することなく、選択還元触媒のＮＯｘ浄化性能をできるだけ高く維持するため、ＮＨ_３センサの検出値に対する目標値を、上述の通常スリップレンジ（例えば、５〜１０ｐｐｍ）内に設定し、この処理を終了する。

一方、Ｓ３の判別がＮＯの場合、すなわち触媒温度が劣化判定温度より高い場合、Ｓ５に移り、ＮＨ_３センサの検出値に対する目標値を、劣化判定レンジ（例えば、１０〜３０ｐｐｍ）内に設定する。このステップにおいてＮＨ_３センサの目標値を、上記通常スリップレンジよりも高い劣化判定レンジ内に設定することにより、インジェクタからはＮＯｘを還元するのに必要な量以上の尿素水が供給される。

以上のようにして選択還元触媒にＮＯｘを還元するのに必要な量以上の尿素水を供給させた後、Ｓ６では、以降のＳ７〜Ｓ１０においてＮＨ_３センサの検出値と比較するための複数の判定値を、熱負荷積算値に基づいて設定する。

図８は、熱負荷積算値に基づいて各種判定値を設定するためのマップの一例を示す図である。Ｓ６では、熱負荷積算値に基づいて図８に示すようなマップを検索することにより、軽度劣化判定値（一点鎖線参照）と、過度劣化判定値（二点鎖線参照）と、システム異常判定値（破線参照）と、の３つ種類の判定値を設定する。

システム異常判定値は、インジェクタ、ＮＨ_３センサ、および選択還元触媒などシステムの異常を判定するためのＮＨ_３センサの検出値に対する閾値であって、図８に示すようにＳ５において設定されたＮＨ_３センサの目標値（実線参照）よりも大きな値に設定される。すなわち、上記Ｓ５において、ＮＨ_３センサの検出値が目標値になるような量の尿素水を供給させたにもかかわらず、ＮＨ_３センサの検出値がこのシステム異常判定値より大きくなった場合、例えば、インジェクタから目標より多い量の尿素水が供給されているか、ＮＨ_３センサが実際の値よりも大きな値を出力しているか、選択還元触媒が硫黄被毒しているか、などのシステム異常が発生していると考えられる。なお、このシステム異常は、選択還元触媒の熱負荷と大きな相関は無いと考えられるので、システム異常判定値は、熱負荷積算値によらず一定の値に設定される。

軽度劣化判定値と過度劣化判定値は、選択還元触媒が酸化劣化状態にあるか否かを劣化の進行度合いに応じて段階的に判定するためのＮＨ_３センサの検出値に対する閾値であって、図８に示すようにＮＨ_３センサの目標値よりも小さな値に設定される。また、過度劣化判定値は、軽度劣化判定値よりも小さな値に設定される。
選択還元触媒において酸化反応が進行し得るような高温領域にあるときにＮＨ_３センサの検出値が目標値になるような量の尿素水を供給させたにもかかわらず、ＮＨ_３センサの検出値が目標値より小さな値に設定された軽度劣化判定値以下である場合、選択還元触媒ではＮＨ_３の酸化反応が進行していると考えられる。また、図４を参照して説明したように、酸化劣化が進行すると、劣化判定時のＮＨ_３センサの検出値も小さくなると考えられる。したがって、ＮＨ_３センサの検出値が軽度劣化判定値より小さな過度劣化判定値以下である場合、選択還元触媒は図４で示すような過度の酸化劣化が進行しているものと考えられる。

また、図５を参照して説明したように、選択還元触媒の劣化が進行すると、そのＮＨ_３最大ストレージ容量が小さくなることから、選択還元触媒からＮＨ_３がスリップしやすくなり、劣化判定時のＮＨ_３センサの検出値は大きな値になる傾向がある。そこで、これら軽度劣化判定値および過度劣化判定値は、熱負荷積算値が大きくなるほど大きな値に変更される。なお、図８のマップにおいて例示するように、軽度劣化判定値および過度劣化判定値の両方を熱負荷積算値に応じて変更してもよいし、軽度劣化判定値および過度劣化判定値の何れかのみを熱負荷積算値に応じて変更してもよい。
なお、以下では、軽度劣化判定値より大きくシステム異常判定値以下の領域を、適正範囲という。

図６に戻って、Ｓ７およびＳ８では、ＮＨ_３センサの検出値と、軽度劣化判定値および過度劣化判定値とを比較する。具体的には、Ｓ７では、ＮＨ_３センサの検出値が一定時間にわたり過度劣化判定値以下であったか否かを判別する。Ｓ７の判別がＮＯの場合には、Ｓ８に移り、ＮＨ_３センサの検出値が一定時間にわたり軽度劣化判定値以下であったか否かを判別する。Ｓ８の判別がＮＯの場合、すなわち、ＮＨ_３センサの検出値が一定時間にわたり軽度劣化判定値より大きい場合には、選択還元触媒は酸化劣化していないと判定し、Ｓ９に移る。

Ｓ８の判別がＹＥＳの場合、すなわち、ＮＨ_３センサの検出値が一定時間にわたり過度劣化判定値より大きく軽度劣化判定値以下である場合には、選択還元触媒は上述の図３に示すような軽度の酸化劣化状態にあると判定する（Ｓ１１）。また、選択還元触媒の酸化劣化が軽度であれば、ＮＨ_３の酸化反応は高温領域のみで発現すると考えられることから、このような酸化反応ができるだけ進行しないように、すなわち選択還元触媒の温度が過剰に上昇しないように、排気の温度の上昇を抑制する制御を実行する（Ｓ１２）。

また、Ｓ７の判別がＹＥＳの場合、すなわち、ＮＨ_３センサの検出値が一定時間にわたり過度劣化判定値以下である場合には、選択還元触媒は上述の図４に示すような過度の酸化劣化状態にあると判定する（Ｓ１３）。また、選択還元触媒の酸化劣化が過度である場合、選択還元触媒によるＮＯｘ浄化性能が著しく低下した状態であって、Ｓ１２のように排気の温度の上昇を抑制する制御を実行するのみでは、十分にＮＯｘを浄化できないと判断し、尿素水の供給を停止するとともに、選択還元触媒の速やかな交換を促すべく警告灯を点灯する（Ｓ１４）。

Ｓ９では、ＮＨ_３センサの検出値が一定時間にわたりシステム異常判定値より大きいか否かを判別する。Ｓ９の判別がＮＯの場合にはＳ１０に移る。また、Ｓ９の判別がＹＥＳの場合、すなわち、インジェクタからはＮＨ_３センサの検出値がＳ５で設定した目標値になるような量の尿素水を供給したにもかかわらず、それよりも多い量のＮＨ_３を検出した場合には、上述のようにインジェクタ、ＮＨ_３センサ、又は選択還元触媒などシステムに異常があると判定し（Ｓ１５）、さらに尿素水の供給を停止するとともにシステムの点検を促すべく警告灯を点灯する（Ｓ１６）。

Ｓ１０では、ＮＨ_３センサの検出値が一定時間にわたり適正範囲内にあるか否かを判別する。Ｓ１０の判別がＹＥＳの場合、すなわち、ＮＨ_３センサの検出値がＳ５で設定した目標値になるような量の尿素水を供給したのに応じて、ＮＨ_３センサの検出値がこの目標値を含む適正範囲内に収まっている場合には、選択還元触媒は図２に示すような正常な状態にあると判定する（Ｓ１７）。また、Ｓ１０の判別がＮＯの場合、すなわち、ＮＨ_３センサの検出値が適正範囲内に一定時間にわたり落ち着かないような場合には、Ｓ１に戻り、再度劣化判定処理を実行する。

以上詳述した排気浄化システムによれば、以下の効果がある。
（１）本実施形態では、選択還元触媒が活性温度以上かつ還元剤の最大ストレージ容量が十分に小さくなる高温領域にあるときにおいて、ＮＨ_３センサの検出値が目標値になるような量の尿素水を供給し、このときのＮＨ_３センサの検出値と軽度劣化判定値や過度劣化判定値とを比較することにより、選択還元触媒が酸化劣化状態にあることを判定することができる。また、本実施形態では、劣化判定を行う時期を、高温領域内に設定された劣化判定温度より高くなるようなときに限ることにより、選択還元触媒が酸化劣化状態にあるか否かを精度良く判定できる。

（２）本実施形態では、選択還元触媒が酸化劣化状態にあると判定された場合には、排気の温度の上昇を抑制する制御を実行することで、選択還元触媒におけるＮＨ_３や尿素水のＮＯｘへの酸化反応の進行を抑制しながら、かつＮＯｘを高効率で還元することができる。

（３）本実施形態では、劣化判定値を、軽度劣化判定値と過度劣化判定値と２つの閾値で構成するとともに、これら２つの劣化判定値とＮＨ_３センサの検出値とを比較することにより、単に酸化劣化したことのみならずその進行度合いをも判定できる。また、これにより進行度合いに応じた適切な制御を実行したり、運転者に対し触媒交換や修理などを適切なタイミングで促したりできる。

（４）本実施形態では、熱負荷の積算値が大きくなるほど劣化判定温度を低い温度に変更することにより、熱負荷の積算値が小さく酸化劣化が殆ど進行していないと考えられる時期には不要な劣化判定が頻繁に行われないようにし、熱負荷の積算値が大きく酸化劣化がある程度進行しているであろうと考えられる時期には適切な頻度で劣化判定を行うことができる。

（５）本実施形態では、酸化劣化の進行度合いと概ね比例していると考えられる熱負荷積算値が大きくなるほど、軽度劣化判定値および過度劣化判定値の両方又は何れかを大きな値に変更することにより、酸化劣化の判定精度を高めることができる。

（６）本実施形態によれば、酸化触媒やＣＳＦから剥離した貴金属がその下流側の選択還元触媒に付着することによる故障も選択還元触媒の酸化劣化として認識することができる。また、選択還元触媒には、還元剤を吸着するために鉄ゼオライトや銅ゼオライトが含められるが、本発明によれば、鉄ゼオライトや銅ゼオライトが酸化鉄や酸化銅になったことを、選択還元触媒の酸化劣化として認識することができる。

上記実施形態では、触媒温度が劣化判定温度以上である場合（図６中Ｓ３の判別がＮＯの場合）にのみ、劣化を判定するための一連の処理（図６におけるＳ５〜Ｓ１７）を実行するようにしたが、本発明はこれに限らない。例えば、ＣＳＦの再生には、数十秒程度の時間がかかることから、ＣＳＦの再生処理中は、劣化を判定するには十分な程度の時間にわたり選択還元触媒の温度が劣化判定温度を上回っていると考えられる。このことから、ＣＳＦの再生処理の実行に合わせて、劣化を判定するための一連の処理を実行し、選択還元触媒の劣化状態を判定してもよい。

上記実施形態では、図６におけるＳ１において選択還元触媒の温度を取得するに当り、排気温度センサの検出値に基づいて推定したが、本発明はこれに限らない。選択還元触媒の温度は、このように排気温度センサなどで間接的に推定するだけでなく、触媒温度センサにより直に検出してもよい。

上記実施形態では、アンモニアを還元剤とし、かつこの前駆体として尿素水をインジェクタで供給する尿素添加式の排気浄化システムに、本発明を適用した例を示したが、これに限るものではない。
例えば、インジェクタからは尿素水を供給せずに、アンモニアガスを直接供給するシステムに本発明を適用しても効果的である。また、ＮＯｘを還元するための還元剤はアンモニアに限るものではない。本発明は、ＮＯｘを還元するための還元剤として、アンモニアの代わりに、例えば炭化水素を用いた排気浄化システムに適用することもできる。

１…エンジン（内燃機関、排気昇温手段）
２…排気浄化システム
４…排気管（排気系）
４１…酸化触媒（酸化触媒）
４２…ＣＳＦ（酸化触媒、排気浄化フィルタ）
４３…選択還元触媒
４５…スリップ抑制触媒
４６…インジェクタ（還元剤供給手段）
５２…ＮＨ_３センサ
５３…排気温度センサ
６…ＥＣＵ（触媒温度取得手段、劣化判定手段、熱負荷積算手段、排気昇温手段）
６１…尿素水噴射制御部
６２…排気温度制御部（排気昇温手段）
６３…触媒劣化判定部（劣化判定手段）

Claims (7)

1. 内燃機関の排気系に設けられ、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを浄化し、かつこの還元剤を吸着する選択還元触媒と、
   前記排気系のうち前記選択還元触媒より上流側に還元剤又はその前駆体を供給する還元剤供給手段と、
   前記選択還元触媒から下流側の排気の還元剤の濃度を検出する還元剤センサと、
   前記選択還元触媒の温度を直接的に検出又は間接的に推定する触媒温度取得手段と、を備えた内燃機関の排気浄化システムであって、
   前記選択還元触媒の温度がその活性温度以上かつその還元剤の最大ストレージ容量が小さくなる温度領域内に設定された劣化判定温度より高いときに、所定量の還元剤又は前駆体を前記還元剤供給手段から供給させた後、前記還元剤センサの検出値が所定の酸化劣化判定値以下の場合には、前記選択還元触媒は還元剤又は前駆体をＮＯｘに酸化する酸化劣化状態にあると判定する劣化判定手段を備え、
   前記所定量は、劣化のない正常な選択還元触媒に流入するＮＯｘを還元するのに必要な量を超えて還元剤又は前駆体を供給したときに前記還元剤センサの検出値が前記酸化劣化判定値よりも大きな値を示す量であることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
2. 前記劣化判定手段により前記選択還元触媒が酸化劣化状態にあると判定された場合には、排気の温度の上昇を抑制する制御を実行することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
3. 前記酸化劣化判定値は、第１判定値と当該第１判定値より小さな第２判定値とで構成され、
   前記劣化判定手段は、
   前記還元剤センサの検出値が前記第２判定値より大きく前記第１判定値以下である場合には、前記選択還元触媒は軽度の酸化劣化状態にあると判定し、
   前記還元剤センサの検出値が前記第２判定値以下である場合には、前記選択還元触媒は酸化劣化が過度に進行しておりＮＯｘ浄化性能が著しく低下した状態であると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記選択還元触媒に与えられた熱負荷の積算値を算出する熱負荷積算手段をさらに備え、
   前記熱負荷の積算値が大きくなるほど、前記劣化判定温度を低い温度に変更することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
5. 前記選択還元触媒に与えられた熱負荷の積算値を算出する熱負荷積算手段をさらに備え、
   前記熱負荷の積算値が大きくなるほど、前記第１判定値および前記第２判定値の両方又は何れかを大きな値に変更することを特徴とする請求項３に記載の内燃機関の排気浄化システム。
6. 前記排気系のうち前記選択還元触媒より上流側に設けられた排気浄化フィルタと、
   前記排気浄化フィルタを再生するために、当該排気浄化フィルタに流入する排気を昇温する排気昇温手段と、をさらに備え、
   前記劣化判定手段は、前記排気昇温手段による前記排気浄化フィルタの再生の実行に合わせて、前記選択還元触媒の劣化状態を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
7. 前記排気系のうち前記還元剤供給手段の還元剤又は前駆体の供給部より上流側には酸化触媒が設けられ、
   前記選択還元触媒には、鉄ゼオライト又は銅ゼオライトが含まれていることを特徴とする請求項１から６の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。

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