JP5850177B2 - 排気浄化装置の故障判定システム - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置の故障判定システムに関する。

内燃機関から排出される排気に含まれるＮＯｘを、アンモニアを還元剤として使用して浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）を有する排気浄化装置が知られている。当該排気浄化装置には、ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量がＮＯｘ浄化のために適切な状態となるように、ＮＯｘ触媒の上流側において、排気中に、アンモニア又はアンモニアの前駆体を供給する供給弁等が設置される。

ここで、特許文献１に開示の技術では、ＮＯｘ触媒の上流側と下流側にそれぞれ設けられたＮＯｘセンサからの検出値に基づいて算出される実際のＮＯｘ浄化率が、ＮＯｘ触媒の温度に対応付けられた目標ＮＯｘ浄化率に到達しない場合には、アンモニアの前駆体としての尿素水の添加量を増量する補正が行われる。このとき、増量補正後のＮＯｘ浄化率が増量補正前のＮＯｘ浄化率よりも増加していなければ、ＮＯｘ触媒においてアンモニアスリップが発生していると判断し、所定条件の下、排気浄化装置が故障しているとの判断が為される。

特開２００３−２９３７４３号公報 特開２００８−１９０５２９号公報 特開２０１０−９５２２１号公報 特開２０１１−２２０１４２号公報

ＮＯｘ触媒（選択還元型ＮＯｘ触媒）が使用される内燃機関の排気浄化装置においては、還元剤としてのアンモニアが供給されることで排気中のＮＯｘが浄化される。ここで、当該排気浄化装置の構成が所望の機能を発揮しない状態、すなわち故障状態に至った場合であっても、ＮＯｘ触媒でのアンモニアの吸着特性により、排気浄化装置の故障判定が適切に行われ得ないことを本出願人は見出した。

例えば、排気浄化装置においては、還元剤としてのアンモニアをＮＯｘ触媒に供給するために、ＮＯｘ触媒の上流側にアンモニア供給源が配置される。しかし、アンモニア供給源からのアンモニア供給が適切に行われない場合、すなわち、ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中のＮＯｘ量に応じた適量のアンモニア供給が行われない場合には、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ還元が十分に行われないこととなり、排気浄化装置が故障状態にあると判断されることとなる。一般には、ＮＯｘ触媒の下流側にＮＯｘセンサが配置され、その検出値に基づいてＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率等を把握することで、排気浄化装置の故障の有無が判断される。このようにＮＯｘセンサの検出値に基づいて排気浄化装置の故障判定が行われる場合、本来、排気浄化装置、特にＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためにアンモニア供給を行う構成についての異常が検出されるべきであるにもかかわらず、ＮＯｘ触媒でのアンモニアの吸着特性に起因して、誤って当該装置は正常であると検出されるおそれがあることを、本出願人は見出した。すなわち、アンモニア供給を行う構成が故障している状態において、ＮＯｘ触媒の温度が過渡的に上昇したときにＮＯｘセンサの検出値に基づき排気浄化装置の故障判定を行うと、故障していない（正常である）との誤った判定が為される可能性がある。

また、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの浄化率を取得するために、一般には、ＮＯｘ触媒の下流側にＮＯｘセンサが配置される。ここで、搭載されるＮＯｘセンサがアンモニアの干渉を受けるタイプのＮＯｘセンサの場合、すなわち、排気中のＮＯｘとともに、排気中のアンモニアについてもＮＯｘとして検出し得るＮＯｘセンサの場合、本来、ＮＯｘ触媒についての異常が検出されるべきであるにもかかわらず、ＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のアンモニア量の変動により、誤って正常であると検出されるおそれがあることを、本出願人は見出した。すなわち、ＮＯｘ触媒がある程度劣化している状態において、ＮＯｘ触媒の温度が低下したときにＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のアンモニア量が一時的に減少し、アンモニアの干渉を受けるタイプのＮＯｘセンサが利用されている場合には、当該アンモニア量の減少の影響を受けて、排気浄化装置に搭載されたＮＯｘ触媒が劣化しているにもかかわらず、劣化していない（正常である）との誤った判定が為される可能性がある。

このような誤った正常判定が為されると、本来はユーザに故障している排気浄化装置の修理等を促すべく警告等が発令されるべきところ、当該警告が為されなくなるため、排気浄化装置が故障した状態で使用され続けることになり、排気浄化の観点からも好ましくない。

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘ触媒を有する排気浄化装置の故障判定システムにおいて、排気浄化装置の故障判定に関し誤判定が生じるのを適切に回避することを目的とする。

本発明において、上記課題を解決するために、本出願人は、内燃機関の排気浄化装置が所定の故障状態にあると仮定した場合における、ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着に関する平衡状態を考慮することとした。これは、排気浄化装置の所定の構成が故障状態にあるときであっても、該故障状態が反映されたアンモニア吸着の平衡状態が形成され、そして、排気温度が変動する等の、排気浄化装置に関する状況が過渡的な場合には、該故障状態が反映されたアンモニア吸着の平衡状態と、実際のアンモニア吸着の状態に差異が生まれ、当該差異が排気浄化装置の故障判定に影響を及ぼし得ることによる。

そこで、本願発明は、内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側で、該選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体を供給する還元剤供給部と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも下流側に設けられ、該選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサと、を有する排気浄化装置の故障判定システムである。そして、当該システムは、前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、前記排気浄化装置の故障判定を行う故障判定部と、前記排気浄化装置が所定の故障状態にあると仮定した場合の、該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着の平衡状態におけるアンモニア平衡吸着量と、実際の該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量との差である仮故障時吸着量差を算出する算出部と、前記算出部によって算出される前記仮故障時吸着量差が所定値を超える場合には、前記故障判定部による故障判定において前記ＮＯｘセンサの検出値の利用を制限し、又は該故障判定部による故障判定自体を禁止する故障判定制限部と、を備える。このような構成により、ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着状態に起因して誤判定を招く可能性がある場合には、排気浄化装置の故障判定に対して何らかの制限を課すことで、誤判定の発生を回避することができる。

より詳細には、本発明に係るシステムを、排気浄化装置が有する還元剤供給部の故障判定を行うシステムの側面から捉えることができる。すなわち、上記排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、前記排気浄化装置が有する前記還元剤供給部の故障判定を行い、そして、前記算出部は、前記排気浄化装置が有する前記還元剤供給部が前記所定の故障状態にあると仮定した場合の前記仮故障時吸着量差であって、実際の前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量が前記アンモニア平衡吸着量より大きくなる状態での該仮故障時吸着量差を算出してもよい。

上記排気浄化装置においてはＮＯｘ触媒が含まれ、当該ＮＯｘ触媒は、排気中のアンモニアを吸着し、それを還元剤としてＮＯｘを選択的に還元する。なお、このＮＯｘ触媒で消費されるアンモニアは、還元剤供給部によって排気に供給されるアンモニア又はアンモニアの前駆体（例えば、尿素等）である。供給されるこれらのアンモニア等は、水溶液の状態で排気に供給されてもよく、また、気体の状態で排気に供給されてもよい。このようにアンモニアを還元剤として利用することで排気中のＮＯｘを還元浄化する排気浄化装置の故障判定システムでは、故障判定部により、ＮＯｘ触媒の下流側に設けられたＮＯｘセンサの検出値に基づいて、排気浄化装置の故障判定が行われる。すなわち、故障判定部がＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ量としてＮＯｘセンサの検出値を利用することで、例えば、ＮＯｘの浄化率に基づいた故障判定が可能となる。一般には、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が基準となる値を下回ったときに、排気浄化装置が故障していると判定することができる。

ここで、ＮＯｘ触媒においては、触媒担体に吸着するアンモニア量と触媒担体から脱離するアンモニア量は、ＮＯｘ触媒が置かれる環境（触媒温度等）に応じて逐次変化し得るものである。しかし、ＮＯｘ触媒が置かれる環境が安定しているときには、触媒担体に吸着するアンモニア量と触媒担体から脱離するアンモニア量が釣り合った状態、すなわち平衡状態に至る。本願では、アンモニアの吸着に関し平衡状態に至っているＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量を、アンモニア平衡吸着量と称する。このアンモニア平衡吸着量については、排気浄化装置が正常である場合、すなわち、ＮＯｘ触媒および還元剤供給部が正常である場合には、触媒温度が高くなるに従いアンモニア平衡吸着量は減少する特性（以下、「吸着特性」ともいう。）が表れる。

排気浄化装置の故障状態の一形態として、還元剤供給部が故障し、本来供給すべき量の還元剤を供給できない状態に陥った場合が挙げられる。このような場合、ＮＯｘ触媒に十分な還元剤としてのアンモニアを供給できなくなるため、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が低下していくこととなる。そして、このように還元剤供給部が故障した場合においても、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は低いものの、すなわち、ＮＯｘ触媒において触媒担体に吸着し得るアンモニア量は少なくなるものの、還元剤供給部の故障時特有の上記吸着特性を確認することができる。

以上を考慮して、本出願人は、ＮＯｘ触媒に関しＮＯｘセンサの検出値を利用した故障判定部による故障判定を行う際に、還元剤供給部が故障しているにもかかわらず、排気浄化装置が誤って正常である（故障していない）と判断される可能性があることを見出した。上記の通り、還元剤供給部が故障した状態においても、供給されるアンモニア量が少ないながらもＮＯｘ触媒にアンモニアが吸着され、その吸着が平衡状態に至る場合がある。しかし、内燃機関の運転状態が過渡状態にある場合等には、ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着に関する平衡状態が崩れる可能性がある。例えば、上述したＮＯｘ触媒での吸着特性に従えば、ＮＯｘ触媒の温度が急激に上昇すると、ＮＯｘ触媒でのアンモニアの脱離が間に合わずに、実際のアンモニアの吸着量がＮＯｘ触媒温度に対応するアンモニア平衡吸着量より多くなる状態が生じることになる。この場合、ＮＯｘ触媒自体が劣化していない状態であれば、実際のＮＯｘ触媒が比較的多くのアンモニアを利用できる環境に置かれることになり、一時的ではあるがＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が上昇することになる。そして結果として、仮に還元剤供給部が故障状態にあり排気浄化装置としては故障していると判定されるべき状態にある場合であっても、この一時的なＮＯｘ浄化率向上により、誤って排気浄化装置は正常である（故障していない）との判定をするおそれがある。

そこで、本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムでは、算出部が、還元剤供給部が故障状態にあると仮定した場合のアンモニア平衡吸着量と実際のＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量との差である仮故障時吸着量差を算出する。当該仮故障時吸着量差が、上記の一時的なＮＯｘ浄化率の向上を導出する要因と考えられる。そして、算出された仮故障時吸着量差が所定値を超える場合には、上記誤判定が生じる可能性があるとして、故障判定制限部により、故障判定部による故障判定に対して何らかの制限が課せられる。

ここで、故障判定部は、ＮＯｘセンサの検出値を利用して排気中のＮＯｘ量を直接検出することで排気浄化装置の故障判定を行っていることから、仮故障時吸着量差が生じることにより上記の誤判定が起こり得ると考えられる。そこで、故障判定制限部による制限については、少なくとも誤判定の一因となっている、ＮＯｘ量を直接検出するＮＯｘセンサの使用に関して制限が課せられればよい。そのため、一例としては、故障判定部による故障判定においてＮＯｘセンサの検出値が利用されるのを制限してもよい。この場合、ＮＯｘセンサ以外の代替手段によりＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のＮＯｘを検出、推定等して算出されるＮＯｘ浄化率を考慮して、排気浄化装置の故障判定が行われればよい。また、代替手段によるＮＯｘ検出が行われない場合等には、故障判定制限部は、故障判定部による故障判定自体を禁止するようにしてもよい。これにより、本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムにおいては、仮故障時吸着量差に起因する上記誤判定を回避することが可能となる。

仮故障時吸着量差に起因する上記誤判定は、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率が一時的に上昇することで、故障状態にあるとの判定が、正常であるとの判定に切り替わり得る状態にあるときに、生じやすいと考えられる。そこで、上記排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値および前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中のＮＯｘ量から算出される該選択還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率に基づいて、故障判定を行い、前記所定の故障状態は、前記故障判定部により前記還元剤供給部が故障していると判定される場合の前記ＮＯｘ浄化率の閾値に対応して設定された故障状態であってもよい。このように所定の故障状態をＮＯｘ浄化率に基づく故障判定の閾値となるＮＯｘ浄化率に基づいて設定することで、仮故障時吸着量差に起因する上記誤判定の発生可能性を的確に推定でき、誤判定発生の可能性がある場合には故障判定制限部による上記制限を課すことで、誤判定をより確実に回避することが可能となる。

ここで、上述までの排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記算出部は、少なくとも、温度上昇過程における前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度である過渡時触媒温度に対応する、実際の該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と、該過渡時触媒温度に対応する該選択還元型ＮＯｘ触媒の前記平衡吸着量との吸着量差に基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出してもよい。上記の通り、ＮＯｘ触媒の吸着特性は、ＮＯｘ触媒の温度に依拠する傾向がある。そこで、ＮＯｘ触媒の過渡時触媒温度を指標として、実際のＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と平衡吸着量との差を、仮故障時吸着量差、すなわちＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率を一時的に押し上げる要因として合理的に算出することができる。

また、仮故障時吸着量差の算出にあたっては、更に他のパラメータを利用することも可能である。すなわち、上記排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記算出部は、更に、前記還元剤供給部から供給される還元剤のうち余剰な還元剤に起因して、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に余剰に吸着する余剰アンモニア吸着量と、前記過渡時触媒温度にある前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量の、アンモニア吸着に関し平衡状態にある該選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量からの増加量である、消費アンモニア増加量と、前記選択還元型ＮＯｘ触媒から脱離するアンモニア脱離量と、の少なくとも一つに基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出してもよい。

ＮＯｘ触媒に余剰に吸着するアンモニアは、還元剤供給部が故障状態にある場合での、アンモニアの吸着に関し平衡状態にある吸着アンモニアに対して余剰となっているアンモニアである。例えば、還元剤供給部の冷却を目的として、ＮＯｘの還元に必要なアンモニア量よりも多くのアンモニアを供給することがある。このような場合であっても、ＮＯｘ触媒には平衡状態よりも多くのアンモニアが吸着し得る。そして、ＮＯｘ触媒に余剰に吸着するアンモニア量は、仮故障時吸着量差を増加させる方向に作用するものであるから、この点を考慮して、上記の通り仮故障時吸着量差を算出するようにしてもよい。

また、ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が多くなるほど、ＮＯｘを還元しやすくなる。すなわち、還元剤供給部が故障状態にあったとしてもＮＯｘ触媒自体が正常であれば、そのＮＯｘの還元能力は維持された状態にある。そのため、ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が、平衡状態での吸着量よりも多い場合には、平衡状態よりもアンモニアの消費量が増加することとなる。そして、平衡状態のときよりも多く消費されるアンモニア量は、仮故障時吸着量差を減少させる方向に作用するものであるから、この点を考慮して、上記の通り仮故障時吸着量差を算出するようにしてもよい。

そして、ＮＯｘ触媒からのアンモニアの脱離量は、ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量に応じて変化する。すなわち、ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が多いほど、アンモニアが脱離し易いため、アンモニアの脱離量が多くなる。そして、ＮＯｘ触媒からのアンモニアの脱離量が多いほど、ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量が少なくなり、仮故障時吸着量差が小さくなる。このように、ＮＯｘ触媒に吸着されているアンモニア量と、ＮＯｘ触媒から脱離するアンモニア量と、は互いに影響し合っており、ＮＯｘ触媒からのアンモニア脱離量は、仮故障時吸着量差を減少させる方向に作用するものであるから、この点を考慮して、上記の通り仮故障時吸着量差を算出するようにしてもよい。

このように、仮故障時吸着量差に関連するパラメータを考慮して仮故障時吸着量差を算出することで、その算出精度を高めることができる。その結果、故障判定制限部による故障判定の制限を可及的に必要最低限に抑えることができ、適切な故障判定の実施を担保することができる。

また、本発明に係るシステムを、排気浄化装置が有する選択還元型ＮＯｘ触媒の故障判定を行うシステムの側面から捉えることができる。すなわち、上記排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記ＮＯｘセンサは、排気中のアンモニアもＮＯｘとして検出するセンサである場合、前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、前記排気浄化装置が有する前記選択還元型ＮＯｘ触媒の劣化に関する故障判定を行い、そして、前記算出部は、前記排気浄化装置が有する前記選択還元型ＮＯｘ触媒が所定の故障状態にあると仮定した場合の前記仮故障時吸着量差であって、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が低下している過程において実際の該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量が該アンモニア平衡吸着量より小さくなる状態での該仮故障時吸着量差を算出してもよい。

本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムでは、内燃機関の排気通路に設けられたＮＯｘ触媒の劣化に関する故障判定が行われる。なお、本明細書においては、選択還元型ＮＯｘ触媒が所望のＮＯｘ浄化能を発揮できない状態を、「劣化」又は「故障」の何れかの文言で表現する。

ここで、ＮＯｘ触媒の下流側には、当該触媒から流れ出る排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサが設けられている。このＮＯｘセンサは、いわゆるアンモニアの干渉を受けるタイプのＮＯｘセンサであるため、排気中にアンモニアが含まれるとき、そのアンモニアもＮＯｘとして検出される特性を有する。したがって、ＮＯｘセンサの検出値は、排気中に含まれるＮＯｘおよびアンモニアに依拠することとなる。そして、本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムでは、このＮＯｘセンサの検出値を利用して、故障判定部により、ＮＯｘ触媒の故障判定が行われることになる。すなわち、少なくともＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ量としてＮＯｘセンサの検出値を利用することで、例えば、ＮＯｘの浄化率に基づいたＮＯｘ触媒の故障判定が可能となる。一般には、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が基準となる値を下回ったときに、当該触媒が劣化していると判定することができる。

ここで、ＮＯｘ触媒においては、触媒担体に吸着するアンモニア量と触媒担体から脱離するアンモニア量は、ＮＯｘ触媒が置かれる環境（触媒温度等）に応じて逐次変化し得るものである。しかし、ＮＯｘ触媒が置かれる環境が安定しているときには、触媒担体に吸着するアンモニア量と触媒担体から脱離するアンモニア量が釣り合った状態、すなわち平衡状態に至る。本願では、アンモニアの吸着に関し平衡状態に至っているＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量を、アンモニア平衡吸着量と称する。このアンモニア平衡吸着量については、ＮＯｘ触媒が正常である場合、すなわち故障判定部により故障していると判定されない場合には、触媒温度が高くなるに従いアンモニア平衡吸着量は減少する特性（以下、「吸着特性」ともいう。）が表れる。また、ＮＯｘ触媒が故障している場合、すなわち故障判定部により故障していると判定されるべき場合であっても、故障状態に陥っていることでＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率は低いものの、すなわち、ＮＯｘ触媒において触媒担体に吸着し得るアンモニア量は少なくなるものの、上記吸着特性を確認することができる。

以上を考慮して、本出願人は、ＮＯｘ触媒に関しＮＯｘセンサの検出値を利用した故障判定部による故障判定を行う際に、故障していると判断されるべきＮＯｘ触媒が誤って正常である（故障していない）と判断される可能性があることを見出した。上記の通り、ＮＯｘ触媒が完全に故障した状態ではない故障状態においても、ＮＯｘ触媒では少ないながらもＮＯｘ触媒にアンモニアが吸着され、その吸着が平衡状態に至る場合がある。しかし、ＮＯｘ触媒の温度が低下している過程にある場合には、その温度変化が比較的急である場合には、ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着に関する平衡状態が崩れる可能性がある。上述したＮＯｘ触媒での吸着特性に従えば、ＮＯｘ触媒の温度が低下すると、ＮＯｘ触媒でのアンモニアの吸着が間に合わずに、実際のアンモニアの吸着量がＮＯｘ触媒温度に対応するアンモニア平衡吸着量より少ない状態が生じることになる。そのため、当該状態では、実際のＮＯｘ触媒において、アンモニアを吸着し得る余裕が生まれることになる。

このようにＮＯｘ触媒の温度低下に起因して実際のＮＯｘ触媒にアンモニアを吸着する余裕が生まれると、結果として、ＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のアンモニア量（アンモニアスリップ量）が少なくなる。ＮＯｘ触媒の下流側に配置されているＮＯｘセンサは、アンモニアの干渉を受けるＮＯｘセンサであるから、上記の通りアンモニアスリップ量が少なくなると、ＮＯｘセンサの検出値に基づいて算出されるＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化率が見かけ上向上してしまう。そのため、仮にＮＯｘ触媒が故障していると判定されるべき状態にある場合であっても、この見かけ上のＮＯｘ浄化率向上により、誤ってＮＯｘ触媒は正常である（故障していない）との判定をするおそれがある。

そこで、本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムでは、算出部が、上記誤判断の可能性が生じるＮＯｘ触媒の温度が低下している過程での、ＮＯｘ触媒が故障状態にあると仮定した場合のアンモニア平衡吸着量と実際のＮＯｘ触媒のアンモニア吸着量との差である仮故障時吸着量差を算出する。当該仮故障時吸着量差が、上記アンモニアを吸着し得る余裕に相当する。そして、算出された仮故障時吸着量差が所定値を超える場合には、上記誤判定が生じる可能性があるとして、故障判定制限部により、故障判定部による故障判定に対して何らかの制限が課せられる。

ＮＯｘセンサがアンモニアの干渉を受けるセンサであることから、仮故障時吸着量差が生じることで上記の誤判定が起こり得ると考えられる。そこで、故障判定制限部による制限については、少なくとも誤判定の一因となっているＮＯｘセンサの使用に関して制限が課せられればよい。そのため、一例としては、故障判定部による故障判定においてＮＯｘセンサの検出値が利用されるのを制限してもよい。この場合、ＮＯｘセンサ以外の代替手段によりＮＯｘ触媒から流れ出る排気中のＮＯｘを検出、推定等して算出されるＮＯｘ浄化率を考慮して、ＮＯｘ触媒の故障判定が行われればよい。また、代替手段によるＮＯｘ検出が行われない場合等には、故障判定制限部は、故障判定部による故障判定自体を禁止するようにしてもよい。これにより、本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムにおいては、仮故障時吸着量差に起因する上記誤判定を回避することが可能となる。

仮故障時吸着量差に起因する上記誤判定は、ＮＯｘ触媒が、アンモニアスリップ量が一時的に減少することで故障状態にあるとの判定が、正常であるとの判定に切り替わり得る故障状態にあるときに、生じやすいと考えられる。そこで、上記排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値および前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中のＮＯｘ量から算出される該選択還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率に基づいて、故障判定を行い、前記所定の故障状態は、前記故障判定部により該選択還元型ＮＯｘ触媒が劣化していると判定される場合の前記ＮＯｘ浄化率の閾値に対応して設定された故障状態であってもよい。このように所定の状態をＮＯｘ浄化率に基づく故障判定の閾値となるＮＯｘ浄化率に基づいて設定することで、仮故障時吸着量差に起因する上記誤判定の発生可能性を的確に推定でき、誤判定発生の可能性がある場合には故障判定制限部による上記制限を課すことで、誤判定をより確実に回避することが可能となる。

ここで、上述までの排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記算出部は、少なくとも、温度低下過程における前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度である過渡時触媒温度に対応する、該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と、該過渡時触媒温度に対応する該選択還元型ＮＯｘ触媒の前記平衡吸着量との吸着量差に基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出してもよい。上記の通り、ＮＯｘ触媒の吸着特性は、ＮＯｘ触媒の温度に依拠する傾向がある。そこで、ＮＯｘ触媒の過渡時触媒温度を指標として、実際のＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と平衡吸着量との差を、仮故障時吸着量差、すなわちアンモニアを吸着し得る余裕として合理的に算出することができる。

また、仮故障時吸着量の算出にあたっては、更に他のパラメータを利用することも可能である。すなわち、上記排気浄化装置の故障判定システムにおいて、前記算出部は、更に、前記還元剤供給部から供給される還元剤のうち前記所定の故障状態に応じて余剰な還元剤となる余剰還元剤に起因して、前記過渡時触媒温度にある該選択還元型ＮＯｘ触媒に余剰に吸着する余剰アンモニア吸着量と、前記過渡時触媒温度にある前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量の、アンモニア吸着に関し平衡状態にある該選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量からの低下量である、消費アンモニア低下量と、のうち少なくとも何れか一方に基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出してもよい。

ＮＯｘ触媒が所定の故障状態にあるとすると、還元剤供給部により供給されたアンモニア等のうちＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元に供されなかったアンモニア等が余剰還元剤として、ＮＯｘ触媒に余剰に吸着することになる。そして、この余剰還元剤は、過渡時触媒温度に対応する該ＮＯｘ触媒での実際のアンモニア吸着量と、過渡時触媒温度に対応するＮＯｘ触媒の平衡吸着量との吸着量差を縮めるものであるから、この点を考慮して、上記の通り仮故障時吸着量差を算出するようにしてもよい。

また、ＮＯｘ触媒の温度低下によりＮＯｘ触媒でのアンモニアの吸着状態が平衡状態から外れることで、ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元に消費されるアンモニア量は低下することになる。この低下量が上記消費アンモニア低下量であり、これは、過渡時触媒温度に対応する該ＮＯｘ触媒での実際のアンモニア吸着量と、過渡時触媒温度に対応するＮＯｘ触媒の平衡吸着量との吸着量差を縮めるものであるから、この点を考慮して、上記の通り仮故障時吸着量差を算出するようにしてもよい。

また、上記消費アンモニア低下量は零に設定されてもよい。ＮＯｘ触媒が所定の故障状態にある場合は、ＮＯｘ触媒によるＮＯｘの還元能力が極めて小さい状態であることが想定される。そのような場合には、消費アンモニア低下量を零に設定し、実質的に消費アンモニア低下量を無視して仮故障時吸着量を算出しても、その算出精度が悪化することはない。

本発明によれば、ＮＯｘ触媒を有する排気浄化装置の故障判定システムにおいて、排気浄化装置の故障判定に関し誤判定が生じるのを適切に回避することができる。

本発明の実施例に係る内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施例における、選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と触媒温度との相関を示した図である。 本発明の第１の実施例における、供給弁が故障状態にある場合の、選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と触媒温度との相関を示した図である。 本発明の第１の実施例における、供給弁が故障状態にある場合において、選択還元型ＮＯｘ触媒の触媒温度が上昇したときのアンモニアの吸着状態の変化を示す図である。 本発明の第１の実施例における、触媒温度が急激に上昇し選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニアの吸着状態が、図４に示す点Ｐ１から点Ｐ３に示す状態に至ったときの、選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニアの吸着量を模式的に示した図である。 本発明の第１の実施例における、選択還元型ＮＯｘ触媒の触媒温度と、触媒からのアンモニアの脱離量との関係を示した図である。 本発明の第１の実施例に係る排気浄化装置の故障判定システムにおいて実行される、排気浄化装置の故障判定の実行制御に関するフローチャートである。 図７に示す制御が実施された場合の、内燃機関を搭載する車両の速度、触媒温度、ＮＯｘ浄化率、仮故障時吸着量差の推移を示す図である。 本発明の第２の実施例における、選択還元型ＮＯｘ触媒に関する故障判定の概念を説明するための図である。 本発明の第２の実施例における、選択還元型ＮＯｘ触媒におけるアンモニア吸着量と触媒温度との相関を示す図である。 本発明の第２の実施例における、劣化状態にある選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と触媒温度との相関を示す図である。 本発明の第２の実施例に係る排気浄化装置の故障判定システムで採用される仮劣化時吸着量差の概念を説明するための第１の図である。 本発明の第２の実施例に係る排気浄化装置の故障判定システムで採用される仮劣化時吸着量差の概念を説明するための第２の図である。 本発明の第２の実施例に係る排気浄化装置の故障判定システムにおいて実行される、選択還元型ＮＯｘ触媒の故障判定の実行制御に関するフローチャートである。 図１４に示す故障判定の実行制御が行われる場合の、内燃機関を搭載する車両の速度、触媒温度、アンモニアスリップ量、ＮＯｘ浄化率、仮劣化時吸着量差の推移を示す図である。

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、その相対配置等は、特に記載がない限りは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。

本発明に係る内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置の故障判定システムの実施例について、本願明細書に添付された図に基づいて説明する。図１は、本実施例に係る内燃機関の排気系に設けられた排気浄化装置３０の概略構成を示す図である。なお、内燃機関１は車両駆動用のディーゼルエンジンである。内燃機関１には排気通路２が接続されているが、図１においては、内燃機関１の吸気系の記載は省略している。

そして、排気通路２には、排気中のＮＯｘをアンモニアを還元剤として選択還元する選択還元ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という）３が設けられ、更にＮＯｘ触媒３の下流側に、ＮＯｘ触媒３からスリップしてくるアンモニアを酸化するための酸化触媒（以下、「ＡＳＣ触媒」）４が設けられている。またＮＯｘ触媒３において還元剤として作用するアンモニアを生成するために、尿素タンク６に貯留されている尿素水が供給弁５によって排気中に添加される。なお、図示は省略されているが、ＮＯｘ触媒３の上流側に、排気中のＰＭを捕集するパティキュレートフィルタが設けられ、更にその上流側に排気中の所定成分（未燃燃料やＣＯ等）を酸化するための酸化触媒も設置されている。これらの触媒、フィルタ、およびＮＯｘ触媒への還元剤供給のための供給系（供給弁５、尿素タンク６等）によって、内燃機関１の排気浄化装置３０が構成されている。

さらに、ＮＯｘ触媒３の上流側には、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ７が設けられ、ＮＯｘ触媒３の下流側には、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサ８と、排気温度を検出する温度センサ９が設けられている。そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）２０が併設されており、該ＥＣＵ２０は内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御するユニットである。ＥＣＵ２０には、上述したＮＯｘセンサ７、ＮＯｘセンサ８、温度センサ９の他、エアフローメータ（図示略）、クランクポジションセンサ１１及びアクセル開度センサ１２が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ２０に渡される。

したがって、ＥＣＵ２０は、クランクポジションセンサ１１の検出に基づく機関回転数や、アクセル開度センサ１２の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。なお、本実施例では、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘはＮＯｘセンサ７によって検出可能であるが、内燃機関１から排出される排気（ＮＯｘ触媒３に浄化される前の排気であり、すなわちＮＯｘ触媒３に流れ込む排気）に含まれるＮＯｘは、内燃機関の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、推定することも可能である。また、ＥＣＵ２０は、温度センサ９もしくはＮＯｘ触媒３の上流側に設けられた温度センサ（図示せず）によって検出される排気温度に基づいて、ＮＯｘ触媒３およびＡＳＣ触媒４の温度を推定することが可能である。そして、このように検出、推定される排気中のＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度）に応じて、ＥＣＵ２０は供給弁５に指示を出し、ＮＯｘの還元浄化に必要な量の尿素水が排気中に供給される。なお、ＮＯｘ触媒３が活性された状態にない場合には、供給された尿素水を用いてのＮＯｘ浄化を効果的に行えないことから、供給弁５からの尿素水供給は、推定されるＮＯｘ触媒３の温度が、該触媒が活性状態にある所定温度以上となっている場合に行われる。

ここで、本実施例に係る排気浄化装置３０の故障判定について説明する。排気浄化装置３０の故障判定は、排気浄化装置３０を構成するＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化の程度に基づいて行われる。具体的には、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率が所定の閾値（故障判定閾値）を下回ったときに、排気浄化装置３０として十分なＮＯｘ浄化能力が発揮できていないとして、排気浄化装置３０が故障状態にあるとの判断を行う。ここで、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率は、以下の式で表わすことができる。
ＮＯｘ浄化率 ＝ １−（ＮＯｘセンサ８の検出値）／（ＮＯｘセンサ７の検出値） ・・・（式１）

そして、排気浄化装置３０を構成する一要素である供給弁５についても故障状態に陥る場合がある。例えば、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ量に応じて決定された尿素水の供給量を１００％としたとき、供給弁５における何らかの不良原因によって５０％以下の量の尿素水しか供給できない場合、供給弁５が故障状態にあると言える。このように供給弁５が故障状態に陥ると、ＮＯｘ触媒３に、ＮＯｘ還元に必要な量に満たない尿素水しか供給できないため、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率が低い値となり、場合によっては、上記のように故障判定閾値を下回ることで、排気浄化装置３０としてその故障状態が検出されることになる。

ここで、上記に示すようにＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率を利用して排気浄化装置３０の故障判定を行うシステムにおいて、供給弁５が故障状態にあるにもかかわらず、内燃機関１の運転状態が変動する特定の過渡状態の際にＮＯｘ浄化率が一時的に上昇し、本来であれば供給弁５の故障により排気浄化装置３０が故障していると判定すべきであるのに、誤って正常であるとの判定（誤正常判定）をしてしまうおそれがあることを、本出願人は見出した。そこで、図２〜図６に基づいて、上記誤正常判定を招き得る特定の過渡状態について説明する。

図２には、ＮＯｘ触媒３における触媒温度と、アンモニアの吸着に関し平衡状態にある場合のアンモニア吸着量との相関が示される。ここでいう平衡状態とは、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着に関し、ＮＯｘ触媒３の担体にアンモニアが吸着する量と担体から吸着していたアンモニアが脱離する量とが釣り合い、見かけ上、担体に吸着するアンモニアの量が一定となる状態を言う。この平衡状態は、ＮＯｘ触媒３の温度に大きく依存する傾向がある。

排気浄化装置３０に異常が見られない場合、すなわち、ＮＯｘ触媒３が劣化した状態ではなく且つ供給弁５も故障した状態にはない場合には、線Ｌ１で示すように、ＮＯｘ触媒温度の上昇とともにＮＯｘ触媒３に吸着されるアンモニア量は減少する傾向がある。一般には、ＮＯｘ触媒温度が比較的低い場合のアンモニアの平衡吸着量の減少率（触媒温度上昇に対する平衡吸着量の減少する割合）は、高い場合の減少率に比べて大きくなる。

一方で、ＮＯｘ触媒３自体は劣化状態にはないものの、供給弁５が、ＮＯｘ触媒３に対して排気中のＮＯｘ還元に必要とされる量の尿素水を供給することができない故障状態にある場合（以下、「供給弁故障状態」ともいう）には、正常な状態にある場合（線Ｌ１で示す状態）と同じスケールで表わすと、線Ｌ２で示すように、ＮＯｘ触媒３の温度変化に対してアンモニア吸着量の変動幅は極めて小さくなる。なお、線Ｌ２に対応する供給弁故障状態は、排気中のＮＯｘ還元に必要とされる量の５０％しかＮＯｘ触媒３に対して供給できない状態をいう。したがって、供給弁故障状態においては、十分な尿素水供給ができないことにより、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率が故障判定閾値を下回ることになり、供給弁５を含む排気浄化装置３０としての故障状態が検出されることとなる。

そして、このような供給弁故障状態におけるＮＯｘ触媒３でのアンモニア吸着に関する平衡状態とは、上記排気浄化装置３０の故障判定の閾値（供給弁５からの供給量は必要量の５０％となるときのＮＯｘ浄化率の値）に対応して設定される、ＮＯｘ触媒３でのアンモニア吸着に関する平衡状態である。すなわち、供給弁５からの尿素水の供給能力が本来必要とされる能力の５０％であるとき、供給された尿素水から生成されるアンモニア雰囲気での、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着とアンモニア脱離の均衡が取れた状態が、図２において線Ｌ２で示された平衡状態となる。

しかしながら、上記のように供給弁故障状態にある排気浄化装置３０においても、図３に示すように、スケールを拡大表示すると、アンモニア吸着量の絶対量は小さいながらも、触媒温度が上昇するに従い、アンモニア吸着量は次第に減少していく傾向を見出すことができる。そして図３に示すようなアンモニア吸着量に関する特性が生じる供給弁故障状態において、触媒温度が上昇した場合、その温度上昇が急な場合には、アンモニアの吸着に関しＮＯｘ触媒３で平衡状態から外れた状態に至り、その結果、上記誤正常判定を招き得る特定の過渡状態となり得る。この点について、図４および図５に基づいて説明する。

ここで、図４に基づいて、供給弁故障状態下の排気浄化装置３０において、アンモニアの吸着に関し平衡状態にあるＮＯｘ触媒３において触媒温度が２００℃から３００℃に上昇した場合の、アンモニア吸着量について考察する。なお、触媒温度が２００℃にあるときには、ＮＯｘ触媒３は平衡状態（すなわち、点Ｐ１（触媒温度２００℃、アンモニア吸着量Ｘ１）で表わされる状態）にあるとする。このような場合、触媒温度が２００℃から３００℃に緩やかに変化していくと、触媒温度とアンモニア吸着量で定義されるＮＯｘ触媒３の吸着状態は、線Ｌ２で規定される平衡状態に対応する軌跡を経て、触媒温度が３００℃の場合の平衡状態（すなわち、点Ｐ２（触媒温度３００℃、アンモニア吸着量Ｘ２）で表わされる状態）へと至る。この場合、ＮＯｘ触媒３は、触媒温度の上昇過程において常に平衡状態に置かれていることになる。

しかし、触媒温度が２００℃から３００℃に急激に上昇した場合、ＮＯｘ触媒３でのアンモニアの脱離が追いつかず、ＮＯｘ触媒３の吸着状態は、線Ｌ２で規定される平衡状態から大きく外れた状態、すなわち、点Ｐ３（触媒温度３００℃、アンモニア吸着量Ｘ１）で表わされる状態へと至る。この点Ｐ３で表わされる状態は、平衡状態から見ると過度にアンモニアが吸着した状態と言えるが、一方で、供給弁故障状態においては、供給弁５は故障した状態にあるもののＮＯｘ触媒３は劣化した状態にはない。そのため、点Ｐ３で表わされる吸着状態のように過度にアンモニアが吸着したとしても、ＮＯｘ触媒３はそのＮＯｘ浄化能により過度に吸着したアンモニアをＮＯｘの還元に利用することができ、結果として、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率を向上させることができる。したがって、点Ｐ３で表わされる吸着状態は、ＮＯｘ触媒３がＮＯｘ還元を行い得る余裕を残した状態（以下、「ＮＯｘ還元余裕状態」ともいう）と言うことができる。このようなＮＯｘ還元余裕状態が生じるＮＯｘ触媒３の温度上昇が、本発明における温度上昇過程における温度上昇に相当し、当該温度上昇過程でのＮＯｘ触媒３の温度（例えば、２００℃）が、過渡時触媒温度に相当する。

供給弁故障状態にある排気浄化装置３０において、上記のようにＮＯｘ還元余裕状態が生じていると、平衡状態から見て過度に吸着したアンモニア（すなわちＸ１−Ｘ２に相当するアンモニア）によって、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率が一時的に上昇し、供給弁５の故障により故障状態にあると判断されるべき排気浄化装置３０に対して、誤って正常であるとの判断（上記誤正常判定）がされる可能性がある。このような場合には、ＮＯｘセンサ７、８の検出値を利用したＮＯｘ浄化率の算出（式１に基づく算出）を控えるのが好ましい。

ここで、上述したＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態について、詳細に検討する。図５は、触媒温度が急激に上昇し吸着状態が点Ｐ３に示す状態に至ったＮＯｘ触媒３での、過度なアンモニアの吸着量を模式的に示した図である。なお、図５に示されるアンモニア吸着量ΔＸが、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態を表す過度なアンモニア吸着量ΔＸに相当するものである。そして、アンモニア吸着量ΔＸは、時間とともに変化していく点を踏まえ、アンモニア吸着量ΔＸの算出に当たっては、下記に説明する各パラメータＸ１１、Ｘ１２、Ｘ１３、Ｘ１４を時間の関数で表わすとともに、時間経過に応じた繰り返し演算を行う。

図５において矢印Ｘ１１（ｔ）で示されるアンモニアの吸着量の変位は、図４でも示したようにＮＯｘ触媒３の温度が急激に上昇したことに起因する過度なアンモニア吸着量であって、ＮＯｘ触媒３の浄化能によってＮＯｘ還元に利用し得るアンモニア吸着量を意味する。例えば、時刻ｔにおいて、触媒温度が２００℃から３００℃に上昇した場合には、変位Ｘ１１（ｔ）は、（Ｘ２−Ｘ１）のアンモニア吸着量を意味する。したがって、図５において、上向きの矢印で表わされる変位は、ＮＯｘ触媒３が平衡状態にある場合と比べてＮＯｘ浄化率が向上し得るファクターに依るものであり、逆に、下向きの矢印で表わされる変位は、ＮＯｘ触媒３が平衡状態にある場合と比べてＮＯｘ浄化率が低下し得るファクターに依るものである。なお、供給弁故障状態にある排気浄化装置３０での、触媒温度とアンモニア平衡吸着量の相関（線Ｌ２に示される両者の関係）は予め実験等でデータを取得し、そのデータを制御マップとしてＥＣＵ２０内のメモリに記憶しておく。そして、その制御マップにアクセスすることで触媒温度に対応したアンモニア平衡吸着量を算出できる。

そして、供給弁故障状態にある排気浄化装置３０でのＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態について、矢印Ｘ１１に加えて、以下に示す３つのファクターも考慮するのが好ましい。これらのファクターを考慮することで、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態の程度（余裕量）をより正確に把握することができる。
（１）供給弁５による尿素水供給の増減に起因するアンモニア吸着量
ここで、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化以外の目的で、供給弁５から供給する尿素水量を増減させることがある。例えば、供給弁５の温度が高くなりすぎると考えられる運転状態の場合には、供給弁５の温度を低下させるために、ＮＯｘ浄化のための必要量よりも多い尿素水を供給弁５から供給する。すなわち、より多くの尿素水を供給弁５に流通させることにより、該供給弁５の温度低下を図る。このような場合には、ＮＯｘ触媒３に流入するアンモニア量が増加する。

そして、この増加されたアンモニアは、供給弁故障状態では劣化状態にはないＮＯｘ触媒３によりＮＯｘ還元のために利用することができるため、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態を拡大させる方向に作用する。そこで、供給弁５による尿素水供給の増減に起因するアンモニア吸着量ΔＮ１は、図５では矢印Ｘ１２（ｔ）で表され、その大きさは以下の式で表すことができる。
ΔＮ１＝（ＥＣＵ２０から指示された供給尿素水によるアンモニア生成量−基準アンモニア生成量）×ゲイン ・・・（式２）

ここで、「ＥＣＵ２０から指示された供給尿素水によるアンモニア生成量」については、ＥＣＵ２０からの指示に従い供給された尿素水量と排気温度との関連について予め実験等でデータを取得し、そのデータを制御マップとしてＥＣＵ２０内のメモリに記憶しておく。そして、その制御マップに随時アクセスすることで、供給弁５によって供給された尿素水量および排気温度に基づいて、ＮＯｘ触媒３に供給されるアンモニア量を算出できる。上記ＥＣＵ２０からの指示には、上述した所定の目的（供給弁５の冷却等）が考慮されている。また、「基準アンモニア生成量」は、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘ量に基づいて、当該ＮＯｘを還元するために必要なアンモニア量であり、予めの実験等で求めておけばよい。また、「ゲイン」は、供給弁故障状態にある排気浄化装置３０を前提として設定されたパラメータであって、ＥＣＵ２０からの指令に従った場合の供給量を１００％としたときに、供給弁５を介して実際にＮＯｘ触媒３に供給されることとなるアンモニア量の割合を示すものである。本実施例では、供給弁５の故障状態は、その供給量がＥＣＵ２０からの指令（ＮＯｘ還元に必要な量）に対して５０％以下となった状態と定義されることから、当該ゲインの値は５０％に設定される。

なお、何らかの理由により尿素水の供給量を減少させる場合も考えられる。この場合には、その減少分は、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態を縮小させる方向に作用するため、図５において矢印Ｘ１２が下向きとなる。

（２）非平衡状態によるアンモニア消費の増加量
上記の通り、点Ｐ３に示すＮＯｘ触媒３での吸着状態は、平衡状態から外れた状態、すなわち非平衡状態と言える。ＮＯｘ触媒３の温度上昇によりＮＯｘ触媒３の吸着状態が非平衡状態に至ると、ＮＯｘ触媒３に吸着されているアンモニア量が多くなることから、同一の触媒温度での平衡状態にある場合と比べて、ＮＯｘとアンモニアとの反応が促進されて、アンモニアの消費量が増加すると考えられる。このアンモニアの消費増加量は、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態を縮小する方向に作用する。そして、このアンモニアの消費増加量ΔＮ２は、図５では矢印Ｘ１３（ｔ）で表される。

アンモニアの消費増加量ΔＮ２については、アンモニア吸着量と、ＮＯｘ触媒３の温度と、排気流量（吸入空気量としてもよい。）とをパラメータとして、これらのパラメータとＮＯｘ浄化率の増加量とを関連付けて、事前の実験等を経て制御マップを構築し、ＥＣＵ２０内のメモリに記憶しておく。そして、その制御マップに随時アクセスして、随時の非平衡状態にあるＮＯｘ触媒３における、上記ＮＯｘ浄化率の増加量と、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ量とから、アンモニアの消費増加量ΔＮ２を算出することができる。

（３）ＮＯｘ触媒３からのアンモニア脱離量
ＮＯｘ触媒３において平衡状態から見て過度にアンモニアが吸着している状態（Ｐ３で表わされる吸着状態）では、該ＮＯｘ触媒３からアンモニアが脱離し得る。ただし、過度に吸着されているアンモニアの全てが一斉に脱離するわけではなく、過度な吸着量は、徐々に減少していく。そして、このアンモニアの脱離量ΔＮ３は、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態を縮小する方向に作用し、図４では、矢印Ｘ１４（ｔ）で表される。

そして、アンモニアの脱離量ΔＮ３は、過度の吸着量と、ＮＯｘ触媒３の温度と、をパラメータとして、例えば次式により算出することができる。
ΔＮ３＝ｋ×過度の吸着量×ｅｘｐ（−Ｅａ／ＮＯｘ触媒温度） ・・・（式３）
なお、ｋ及びＥａは、予め実験またはシミュレーション等により得られる定数である。

ここで、図６は、ＮＯｘ触媒３の温度と、アンモニアの脱離量ΔＮ３との関係を示した図である。このように、アンモニアの脱離量ΔＮ３は、ＮＯｘ触媒３の温度に依存し、ＮＯｘ触媒３の温度が高くなるほど、アンモニアの脱離量ΔＮ３は多くなるが、ＮＯｘ触媒３の温度が高くなるほど、ＮＯｘ触媒３の温度の上昇度合いに対する、アンモニアの脱離量ΔＮ３の増加度合いが小さくなる。

そして、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態を表す過剰なアンモニア吸着量ΔＸ（ｔ）は、温度上昇に起因する過度の吸着量（Ｘ１−Ｘ２）に対して、上記（１）−（３）のファクターを考慮することで、正確に把握することができる。図５に示す例では、下記の式４に示すように、先のサイクルでのアンモニア吸着量ΔＸ（ｔ−１）に矢印Ｘ１１（ｔ）と矢印Ｘ１２（ｔ）とを合わせた大きさから、矢印Ｘ１３（ｔ）および矢印Ｘ１４（ｔ）の大きさを差し引いたアンモニア吸着量ΔＸ（ｔ）が、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態を表す過剰なアンモニア吸着量ΔＸ（ｔ）に相当する。
ΔＸ（ｔ）＝ΔＸ（ｔ−１）＋Ｘ１１（ｔ）＋Ｘ１２（ｔ）−Ｘ１３（ｔ）−Ｘ１４（ｔ） ・・・（式４）
なお、ＮＯｘ還元余裕状態を表す過剰なアンモニア吸着量ΔＸ（ｔ）を算出する最も最初のサイクル（時刻ｔ＝０）においては、境界値としてΔＸ（ｔ−１）＝０が設定される。

このように、温度上昇に起因するアンモニアの過度な吸着量に対して、上記（１）供給弁５による尿素水供給の増減に起因するアンモニア吸着量、（２）非平衡状態によるアンモニア消費の増加量、（３）ＮＯｘ触媒３からのアンモニア脱離量を考慮することで、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ還元余裕状態の程度（余裕量）を正確に把握することができる。図５に示す例では、ΔＸで表わされる当該ＮＯｘ還元余裕量は、供給弁５が仮に所定の故障状態（すなわち、必要とされる量の５０％しか供給できない状態）にあると仮定したときのＮＯｘ還元余裕量、すなわち、平衡状態に対するアンモニア吸着量の変位（差）であるから、ΔＸを、「仮故障時吸着量差」と称する。そして、ＮＯｘ触媒３において仮故障時吸着量差がある程度生じた場合には、供給弁５が所定の故障状態にあるため排気浄化装置３０が故障していると判定されるべき状態にありながら、ＮＯｘセンサ８の検出値を利用したＮＯｘ浄化率に基づく故障判定を行うと誤って正常判定をしてしまう可能性があることを示唆するものである。

そこで、当該可能性がある場合には、上記ＮＯｘ浄化率に基づく故障判定に対して何らかの制限を加えることで、誤った正常判定が為されないようにするのが好ましい。以上を踏まえ、本実施例においては、図７に示す、排気浄化装置３０の故障判定に関する故障判定実行制御が行われる。当該制御は、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムが実行することで、行われる。

先ず、Ｓ１０１では、式１に従い算出されるＮＯｘ浄化率に基づいた、排気浄化装置３０の故障判定を行うための条件が成立しているか否かが判定される。当該条件の一例としては、ＮＯｘ触媒３の温度が、該触媒が活性状態になるための触媒温度を上回っているか、ＮＯｘセンサ７、８の温度が、ＮＯｘ検出を行い得る温度にまで上昇しているか等が挙げられる。ＮＯｘ触媒３の温度は温度センサ９の検出値等に基づいて推定でき、また、ＮＯｘセンサ７、８の温度は、内燃機関１が暖機を開始してからの経過時間等に基づいて推定できる。Ｓ１０１で肯定判定されるとＳ１０２へ進み、否定判定されるとＳ１０６へ進む。

次に、ＮＯｘ触媒３の温度が、図４に示すように点Ｐ１から点Ｐ３に推移するような、すなわち、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの吸着に関し平衡状態から外れるような、比較的急な温度の上昇過程にあるか否かが判定される。例えば、ＮＯｘ触媒３の温度の上昇率（上昇速度）が所定値以上となる場合には、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的急な上昇過程にあるとして肯定判定され、Ｓ１０３へ進む。一方で、Ｓ１０２で否定判定されると、ＮＯｘ触媒３の温度上昇は比較的緩やかであるため実質的に平衡状態を維持することが可能であることを意味する。したがって、その場合は、処理はＳ１０５へ進む。

次に、Ｓ１０３では、温度上昇過程にあるＮＯｘ触媒３に関し、図５に示した仮故障時吸着量差ΔＸが算出される。本実施例では、上述したように、温度上昇に起因するアンモニアの吸着に関する過度な吸着量に対して、供給弁５による尿素水供給に起因するアンモニア吸着量、非平衡状態によるアンモニア消費の増加量、およびＮＯｘ触媒３からのアンモニアの脱離量を考慮して、仮故障時吸着量差ΔＸを算出する。なお、仮故障時吸着量差ΔＸの算出を簡便にするために、温度上昇に起因するアンモニアの吸着に関する過度な吸着量の値（図５で示す矢印Ｘ１１に対応するアンモニア吸着量の変位）をもって、仮故障時吸着量差ΔＸとしてもよい。

Ｓ１０４では、Ｓ１０３で算出された仮故障時吸着量差ΔＸが、所定の閾値Ｘ０以下であるか否かが判定される。所定の閾値Ｘ０は、仮故障時吸着量差ΔＸが大きくなることで生じる、一時的なＮＯｘ浄化率の上昇に起因する上記誤正常判定を踏まえ、仮故障時吸着量差ΔＸの大きさと誤正常判定の生じる可能性との相関を考慮して設定される閾値である。したがって、Ｓ１０４で肯定判定されると、仮故障時吸着量差ΔＸの値は好適に低いため誤正常判定の可能性は低く、したがってＮＯｘ浄化率に基づく排気浄化装置３０の故障判定の実行は許可される（Ｓ１０５の処理）。一方で、Ｓ１０４で否定判定されると、仮故障時吸着量差ΔＸの値が比較的高いため誤正常判定の可能性が高く、したがってＮＯｘ浄化率に基づく排気浄化装置３０の故障判定の実行は禁止される（Ｓ１０６の処理）。Ｓ１０５の処理又はＳ１０６の処理が行われると、再びＳ１０１の処理が繰り返される。

ここで、図８に、図７に示す故障判定実行制御が行われた場合の、内燃機関１に関する各パラメータの推移（実験例）が例示されている。なお、この実験例で使用されたＮＯｘ触媒３は劣化状態にはなく、また、供給弁５は所定の故障状態にあるものである。図７（ａ）には、内燃機関１を搭載する車両の車速の推移が、線Ｌ３で示される。図７（ｂ）には、ＮＯｘ触媒３の温度推移が線Ｌ４で示され、その温度の変化率（単位時間当たりの温度変化）の推移が線Ｌ５で示される。図７（ｃ）には、ＮＯｘセンサ７、８の検出値を利用して算出されたＮＯｘ浄化率の推移が、線Ｌ６で示される。図７（ｄ）には、仮故障時吸着量差ΔＸの推移が、線Ｌ７で示される。図７の各図の横軸は時間であり、共通の時間範囲での各パラメータの推移が、図示されている。

図７（ｂ）で示される時間Ｔ１〜Ｔ２の期間において、ＮＯｘ触媒３の温度が急に上昇しており、Ｔ２〜Ｔ３の期間においてもＮＯｘ触媒３が温度上昇過程にある。その結果、時間Ｔ１後の所定期間には、ＮＯｘ浄化率が一時的に上昇していることが把握できる。そして、この一時的なＮＯｘ浄化率の上昇に対応するように、仮故障時吸着量差も、図７（ｄ）の線Ｌ７に示すように他の期間に比べて非常に大きな値で推移することになる。そこで、この所定の期間においては、一時的なＮＯｘ浄化率の上昇により、上記誤正常判定が生じる可能性があると考えられるため、仮故障時吸着量差に基づいて当該期間を故障判定禁止期間（Ｓ１０６の処理によって設定される期間）とすることで、誤って正常判定がされるのを回避することができる。

＜変形例＞
本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムにおいて実行される故障判定実行制御の第二の実施例について説明する。図７に示す制御では、Ｓ１０４で否定判定されると、すなわち誤正常判定の可能性があると判定されると、排気浄化装置３０の故障判定自体が禁止される。本実施例では、その態様に代えて、排気浄化装置３０の故障判定において、排気中のＮＯｘを直接検出しているＮＯｘセンサ８の検出値の利用を制限してもよい。ＮＯｘセンサ８の検出値の利用が制限された場合、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気中のＮＯｘは、ＮＯｘ触媒３の温度、内燃機関１の運転履歴に基づいて推定されるＮＯｘ触媒３でのＮＯｘの還元効率、排気流量等に基づいて推定される。このように推定されたＮＯｘ量を代替的に利用することで、少なくともＮＯｘセンサ８の検出値に依存する一時的なＮＯｘ浄化率の上昇により誤正常判定が生じてしまうのを回避することができる。

本実施例に係る故障判定システムによる故障判定の対象となる内燃機関の排気浄化装置は、図１に示す通りである。そして、本実施例では、排気浄化装置に含まれるＮＯｘ触媒３の故障判定が行われる。ＮＯｘ触媒３の故障判定は、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率が所定の閾値（故障判定閾値）を下回ったときに、ＮＯｘ触媒３の還元能力が十分ではないとして故障状態にあるとの判断を行う。ここで、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率は、以下の式で表わすことができる。
ＮＯｘ浄化率 ＝ １−（ＮＯｘセンサ８の検出値）／（ＮＯｘセンサ７の検出値） ・・・（式５）

ここで、本実施例においては、ＮＯｘセンサ７およびＮＯｘセンサ８は、アンモニアの干渉を受けるタイプのＮＯｘセンサである。そのため、各ＮＯｘセンサの検出部に流れ込む排気中にアンモニア分子が含まれていると、それをＮＯｘとして検出してしまう。この点を考慮して、ＮＯｘセンサ７は、供給弁５から排気中に供給される尿素水の影響を受けない程度に、供給弁５から上流側に離れて設置されている。一方で、ＮＯｘセンサ８については、供給弁５から供給された尿素水により生成されたアンモニアであってＮＯｘ触媒３での選択還元反応に供されず、またＡＳＣ触媒４により酸化除去されなかったアンモニア（以下、「スリップアンモニア」という）の影響を受けることになる。この点を踏まえると、上記式５で示すＮＯｘ浄化率は、以下のように表わすことができる。
ＮＯｘ浄化率 ＝ １−（ＮＯｘ触媒出ＮＯｘ＋スリップアンモニア）／（ＮＯｘ触媒入りＮＯｘ） ・・・（式６）

したがって、スリップアンモニアが発生するとＮＯｘセンサ８がその影響を受け、その結果、見かけ上、ＮＯｘ浄化率は低下することになる。この点について、図９に基づいて説明する。図９において、（ａ）は、ＮＯｘ触媒３の上流側および下流側における実際のＮＯｘ量に基づいて算出されたＮＯｘ浄化率であり、ＮＯｘセンサ８のアンモニアの干渉を受けないと仮定した場合に式５に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率に相当する。しかし、実際には、上記の通りＮＯｘセンサ８においてはアンモニアの干渉を受けるために、排気中に存在するスリップアンモニアのために（ｂ）に示すように、ＮＯｘ触媒３のＮＯｘ浄化率は、（ａ）と比べてｄ１低下することになる。この低下量ｄ１は、見かけ上の低下量であることから、（ｂ）に示すＮＯｘ浄化率に基づいてＮＯｘ触媒３の故障判定を行う場合、当該見かけ上の低下量が、安全上のマージンとなり得る。なお、図９（ｂ）において、白抜き部分については、ＮＯｘセンサの検出に関する固体差に起因したＮＯｘ浄化率のばらつきを示す。したがって、図９（ｂ）に示すＮＯｘ浄化率は、全てのばらつきを考慮しても、故障判定閾値を下回るＮＯｘ浄化率であることを意味する。

ここで、ＮＯｘ浄化率に関しこのような特性を有する本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムにおいて、内燃機関１の運転状態が変動する特定の過渡状態の際に、一時的にアンモニアスリップ量が減少する現象を、本出願人は見出した。上記式６で示すように、ＮＯｘセンサ８の検出値に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率はスリップアンモニアの影響を受けることから、アンモニアスリップ量が一時的に減少すると、特定の過渡状態の際にＮＯｘ浄化率が向上する（図９（ｃ）に示す状態における変化量ｄ２が、当該向上分に相当する）。その結果、ＮＯｘ浄化率のばらつきを考慮すると、算出されるＮＯｘ浄化率が、故障判定閾値を超える可能性が生じる。このことは、図９（ｂ）に示すようにばらつきを考慮しても故障判定閾値を下回るＮＯｘ浄化率が、図９（ｃ）に示すようにばらつき次第では故障判定閾値を超えると判断され得ることを意味する。そのため、本来は故障状態にあると判断されるべきＮＯｘ触媒３が、故障（劣化）していない正常な状態にあると判断されることになり、誤った正常判定（誤正常判定）を招きかねない。

そこで、図１０〜図１３に基づいて、上記誤正常判定を招き得る特定の過渡状態について説明する。図１０には、ＮＯｘ触媒３における触媒温度と、アンモニアの吸着に関し平衡状態にある場合のアンモニア吸着量との相関が示される。ここでいう平衡状態とは、ＮＯｘ触媒におけるアンモニア吸着に関し、ＮＯｘ触媒の担体にアンモニアが吸着する量と担体から吸着していたアンモニアが脱離する量とが釣り合い、見かけ上、担体に吸着するアンモニアの量が一定となる状態を言う。この平衡状態は、ＮＯｘ触媒３の温度に大きく依存する傾向がある。詳細には、ＮＯｘ触媒３が正常な状態である場合には、線Ｌ１１で示すように、ＮＯｘ触媒温度の上昇とともにＮＯｘ触媒３に吸着されるアンモニア量は減少する傾向があり、その減少幅は比較的大きい。特に、ＮＯｘ触媒温度が２００〜２５０℃の範囲での低下量が、２５０℃以上での低下量よりも顕著となっている。一方で、ＮＯｘ触媒３が所定の故障状態にある場合には、正常な状態にある場合と同じスケールで表わすと、線Ｌ１２で示すように、ＮＯｘ触媒３の温度変化に対してアンモニア吸着量の変動幅は極めて小さくなる。なお、線Ｌ１２に対応するＮＯｘ触媒３の所定の故障状態は、ＮＯｘ触媒３によるＮＯｘ浄化率が図９に示す故障判定閾値を若干下回る程度、すなわち、当該ＮＯｘ浄化率が故障判定閾値近傍の値となる状態に相当する。

しかしながら、上記のように所定の故障状態にあるＮＯｘ触媒３においても、図１１に示すように、スケールを拡大表示すると、アンモニア吸着量の絶対量は小さいながらも、触媒温度が上昇するに従い、アンモニア吸着量は次第に減少していく傾向を見出すことができる。そして図１１に示すようなアンモニア吸着量に関する特性が生じる所定の故障状態において、触媒温度が低下した場合、温度低下が急な場合には、アンモニアの吸着に関しＮＯｘ触媒３で平衡状態から外れた状態に至り、その結果、上記誤正常判定を招き得る特定の過渡状態となり得る。この点について、図１２、図１３に基づいて説明する。

ここで、図１２に基づいて、所定の故障状態であって、アンモニアの吸着に関し平衡状態にあるＮＯｘ触媒３において触媒温度が２５０℃から２００℃に低下した場合の、アンモニア吸着量について考察する。なお、触媒温度が２５０℃にあるときには、ＮＯｘ触媒３は平衡状態（すなわち、点Ｐ１１（触媒温度２５０℃、アンモニア吸着量Ｘ１００）で表わされる状態）にあるとする。このような場合、触媒温度が２５０℃から２００℃に緩やかに変化していくと、触媒温度とアンモニア吸着量で定義されるＮＯｘ触媒３の吸着状態は、線Ｌ１２で規定される平衡状態に対応する軌跡を経て、触媒温度が２００℃の場合の平衡状態（すなわち、点Ｐ１２（触媒温度２００℃、アンモニア吸着量Ｘ２００）で表わされる状態）へと至る。この場合、ＮＯｘ触媒３は、常に平衡状態に置かれているため、アンモニアの吸着に関し、一時的な変動を生じさせる可能性は低い。

しかし、触媒温度が２５０℃から２００℃に急激に低下した場合、ＮＯｘ触媒３でのアンモニアの吸着が追いつかず、ＮＯｘ触媒３の吸着状態は、線Ｌ１２で規定される平衡状態から大きく外れた状態、すなわち、点Ｐ１３（触媒温度２００℃、アンモニア吸着量Ｘ１００）で表わされる状態へと至る。この点Ｐ１３で表わされる状態は、所定の故障状態にあるＮＯｘ触媒３であっても、触媒温度の低下が急であったためにアンモニアを吸着し得る余裕を残した状態（以下、「吸着余裕状態」ともいう）と言うことができる。このような吸着余裕状態が生じるＮＯｘ触媒３の温度低下が、本発明における温度低下過程における温度低下に相当し、当該温度低下過程でのＮＯｘ触媒３の温度（例えば、上記２００℃）が、過渡時触媒温度に相当する。

このように吸着余裕状態がＮＯｘ触媒３において生じていると、その吸着し得る容量に応じてＮＯｘ触媒３でアンモニアが吸着されることになり、その結果として、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気中のアンモニアが一時的に減少する。そのため、ＮＯｘ触媒３が所定の故障状態にあるとすると、アンモニアの一時的な減少によって、図９（ｃ）に示すようにＮＯｘ浄化率が故障判定閾値を上回る可能性が生じ、本来、故障状態にあると判断されるべきＮＯｘ触媒３（なぜなら、ＮＯｘ触媒３が所定の故障状態にあるため）に対して、誤って正常であるとの判断（上記誤正常判定）がされる可能性がある。このような場合には、ＮＯｘセンサ８の検出値を利用したＮＯｘ浄化率の算出（式５、式６に基づく算出）を控えるのが好ましい。

ここで、上述したＮＯｘ触媒３の吸着余裕状態について、詳細に検討する。図１３は、触媒温度が急激に低下し吸着状態が点Ｐ１３に示す状態に至ったＮＯｘ触媒３での、アンモニアの吸着量を模式的に示した図である。矢印Ｘ１１１で示されるアンモニアの吸着量の変位（Ｘ２００とＸ１００との間の変位）は、図１２でも示したようにＮＯｘ触媒３の温度が急激に低下したことにより発生したアンモニアの吸着に関する余裕量（Ｘ２００−Ｘ１００）を意味する。したがって、図１３において、下向きの矢印で表わされる変位は、アンモニアの吸着に関する余裕量を増加させるファクターに依るものであり、逆に、上向きの矢印で表わされる変位は、アンモニアの吸着に関する余裕量を減少させるファクターに依るものである。なお、ＮＯｘ触媒３が所定の故障状態にある場合の、触媒温度とアンモニア平衡吸着量の相関は予め実験等でデータを取得し、そのデータを制御マップとしてＥＣＵ２０内のメモリに記憶しておく。そして、その制御マップにアクセスすることで触媒温度に対応したアンモニア平衡吸着量を算出できる。

そして、ＮＯｘ触媒３の吸着余裕状態をについて、矢印Ｘ１１１に加えて、以下に示す２つのファクターも考慮するのが好ましい。これらのファクターを考慮することで、ＮＯｘ触媒３の吸着余裕状態の程度（余裕量）をより正確に把握することができる。
（１）供給弁５による尿素水供給に起因するアンモニア吸着量
上記の通り、図１２の線Ｌ１２で示す平衡状態については、ＮＯｘ触媒３は所定の故障状態にあると仮定されている。一方で、供給弁５から供給される尿素水量は、主にはＮＯｘセンサ７によって検出される、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ量に応じて、当該ＮＯｘを還元除去に必要なアンモニアがＮＯｘ触媒３の担体に吸着されるように制御される。そのため、所定の故障状態にあるＮＯｘ触媒３では、劣化によって供給アンモニアをＮＯｘとの還元反応に利用する能力が低下していることにより、利用されずに担体に吸着したままのアンモニア量が存在することになる。すなわち、所定の故障状態にあるＮＯｘ触媒３では、ＮＯｘ触媒３の還元能力を踏まえれば、余剰にアンモニアが供給された状態が形成されている。

そして、この余剰アンモニアはＮＯｘ触媒３の担体に吸着されることで、アンモニアの吸着に関する余裕量を縮小する方向に作用する。そこで、供給弁５による尿素水供給に起因するアンモニア吸着量ΔＮ１は、図１３では矢印Ｘ１１２で表わされ、その大きさは以下の式で表わすことができる。
ΔＮ１＝（供給尿素水によるアンモニア生成量−所定の故障状態にあるＮＯｘ触媒３での基準アンモニア供給量）×ゲイン ・・・（式７）
ここで、「供給尿素水によるアンモニア生成量」については、供給された尿素水量と排気温度との相関について予め実験等でデータを取得し、そのデータを制御マップとしてＥＣＵ２０内のメモリに記憶しておく。そして、その制御マップに随時アクセスすることで、供給弁５によって供給された尿素水量および排気温度に基づいて、ＮＯｘ触媒３に供給されるアンモニア量を算出できる。また、「所定の故障状態にあるＮＯｘ触媒３での基準アンモニア供給量」は、所定の故障状態にあるＮＯｘ触媒３において、還元反応に利用することが可能なアンモニア量であり、予めの実験等で求めておけばよい。また、「ゲイン」は、余剰にＮＯｘ触媒３に供給されたアンモニアのうちどの程度ＮＯｘ触媒３の担体に吸着するか、その割合を示すものである。一般に、吸着量はＮＯｘ触媒３の温度に大きく依拠するため、ＮＯｘ触媒３の温度とゲインとの相関を予め実験等でデータを取得し、そのデータを制御マップとしてＥＣＵ２０内のメモリに記憶しておく。そして、その制御マップに随時アクセスすることで、触媒温度に基づいてゲインの値を算出できる。

（２）非平衡状態によるアンモニア消費の低下量
上記の通り、点Ｐ１３に示すＮＯｘ触媒の吸着状態は、平衡状態から外れた状態、すなわち非平衡状態と言える。ＮＯｘ触媒３の温度低下によりＮＯｘ触媒３の吸着状態が非平衡状態に至ると、ＮＯｘ触媒３に吸着されているアンモニア量が少なくなることから、同一の触媒温度での平衡状態にある場合と比べてアンモニアの消費量が減少すると考えられる。このアンモニアの消費減少量は、アンモニアの吸着に関する余裕量を縮小する方向に作用する。そこで、このアンモニアの消費減少量ΔＮ２は、図１３では矢印Ｘ１１３で表わされる。

そして、当該アンモニアの消費減少量ΔＮ２については、非平衡状態にあるＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量と、触媒温度、排気流量とをパラメータとして、これらのパラメータと還元反応に消費されるアンモニアの消費率の低下量とを関連付けて、事前の実験等を経て制御マップを構築し、ＥＣＵ２０内のメモリに記憶しておく。そして、その制御マップに随時アクセスして、随時の非平衡状態にあるＮＯｘ触媒３における、上記アンモニアの消費率の低下量と、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ量から、アンモニアの消費減少量ΔＮ２を算出することができる。なお、ＮＯｘ触媒の吸着余裕状態を考察するにあたり、ＮＯｘ触媒３は所定の故障状態にあると仮定されている。この場合、劣化によりＮＯｘ触媒３の還元能力が低下しているため、もとより還元反応に消費されるアンモニア量は少ない。そのため、アンモニアの消費減少量ΔＮ２は極めて少なくなると考えられ、その場合は、アンモニアの消費減少量ΔＮ２の値を固定的に零と設定してもよい。

このように、温度低下に起因するアンモニアの吸着に関する余裕量（Ｘ２００−Ｘ１００）に対して、上記（１）供給弁５による尿素水供給に起因するアンモニア吸着量、および（２）非平衡状態によるアンモニア消費の低下量を考慮することで、ＮＯｘ触媒の吸着余裕量を正確に把握することができる。図１３に示す例では、矢印Ｘ１１１の大きさから、矢印Ｘ１１２および矢印Ｘ１１３の大きさを差し引いたアンモニア吸着量ΔＸが、最終的なＮＯｘ触媒３の吸着余裕量に相当する。そして、ΔＸで表わされる当該吸着余裕量は、ＮＯｘ触媒３が仮に所定の故障状態にあると仮定したときの吸着余裕量、すなわち、平衡状態に対するアンモニア吸着量の変位（差）であるから、ΔＸを、「仮故障時吸着量差」と称する。したがって、ＮＯｘ触媒３において仮故障時吸着量差がある程度生じた場合には、ＮＯｘ触媒３は故障状態（所定の故障状態）と判断されるべき状態にありながら、ＮＯｘセンサ８の検出値を利用したＮＯｘ浄化率に基づく故障判定を行うと誤って正常判定をしてしまう可能性があることを示唆するものである。

そこで、当該可能性がある場合には、上記ＮＯｘ浄化率に基づく故障判定に対して何らかの制限を加えることで、誤った正常判定が為されないようにするのが好ましい。以上を踏まえ、本実施例においては、図１４に示す、ＮＯｘ触媒３の故障判定に関する故障判定実行制御が行われる。当該制御は、ＥＣＵ２０に格納された制御プログラムが実行することで、行われる。

先ず、Ｓ２０１では、式５、式６に従い算出されるＮＯｘ浄化率に基づいた、ＮＯｘ触媒３の故障判定を行うための条件が成立しているか否かが判定される。当該条件の一例としては、ＮＯｘ触媒３の温度が、該触媒が活性状態になるための触媒温度を上回っているか、ＮＯｘセンサ７、８の温度が、ＮＯｘ検出を行い得る温度にまで上昇しているか等が挙げられる。ＮＯｘ触媒３の温度は温度センサ９の検出値に基づいて推定でき、また、ＮＯｘセンサ７、８の温度は、内燃機関１が暖機を開始してからの経過時間等に基づいて推定できる。Ｓ２０１で肯定判定されるとＳ２０２へ進み、否定判定されるとＳ２０６へ進む。

次に、ＮＯｘ触媒３の温度が、図１２に示すように点Ｐ１１から点Ｐ１３に推移するような、すなわち、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニアの吸着に関し平衡状態から外れるような、比較的急な温度の低下過程にあるか否かが判定される。例えば、ＮＯｘ触媒３の温度の低下率（低下速度）が所定値以上となる場合には、ＮＯｘ触媒３の温度が比較的急な低下過程にあるとして肯定判定され、Ｓ２０３へ進む。一方で、Ｓ２０２で否定判定されると、ＮＯｘ触媒３の温度低下は比較的緩やかであるため実質的に平衡状態を維持することが可能であることを意味する。したがって、その場合は、処理はＳ２０５へ進む。

次に、Ｓ２０３では、温度低下過程にあるＮＯｘ触媒３に関し、図１３に示した仮故障時吸着量差ΔＸが算出される。本実施例では、上述したように、温度低下に起因するアンモニアの吸着に関する余裕量に対して、供給弁５による尿素水供給に起因するアンモニア吸着量、および非平衡状態によるアンモニア消費の低下量を考慮して、仮故障時吸着量差ΔＸを算出する。なお、仮故障時吸着量差ΔＸの算出を簡便にするために、温度低下に起因するアンモニアの吸着に関する余裕量の値（図１３で示す矢印Ｘ１１１に対応するアンモニア吸着量の変位）をもって、仮故障時吸着量差ΔＸとしてもよい。

Ｓ２０４では、Ｓ２０３で算出された仮故障時吸着量差ΔＸが、所定の閾値Ｘ０以下であるか否かが判定される。所定の閾値Ｘ０は、仮故障時吸着量差ΔＸが大きくなることで生じる、一時的なアンモニアスリップ量の低下が、ＮＯｘ浄化率を見かけ上大きくしてしまうことに起因する上記誤正常判定を踏まえ、仮故障時吸着量差ΔＸの大きさと誤正常判定の生じる可能性との相関を考慮して設定される閾値である。したがって、Ｓ２０４で肯定判定されると、仮故障時吸着量差ΔＸの値は好適に低いため誤正常判定の可能性は低く、したがってＮＯｘ浄化率に基づくＮＯｘ触媒３の故障判定の実行は許可される（Ｓ２０５の処理）。一方で、Ｓ２０４で否定判定されると、仮故障時吸着量差ΔＸの値が比較的高いため誤正常判定の可能性が高く、したがってＮＯｘ浄化率に基づくＮＯｘ触媒３の故障判定の実行は禁止される（Ｓ２０６の処理）。Ｓ２０５の処理又はＳ２０６の処理が行われると、再びＳ２０１の処理が繰り返される。

ここで、図１５に、図１４に示す故障判定実行制御が行われた場合の、内燃機関１に関する各パラメータの推移（実験例）が例示されている。なお、この実験例で使用されたＮＯｘ触媒３は、所定の故障状態にあるものである。図１５（ａ）には、内燃機関１を搭載する車両の車速の推移が、線Ｌ１３で示される。図１５（ｂ）には、ＮＯｘ触媒３の温度推移が線Ｌ１４で示され、ＡＳＣ触媒４の温度推移が線Ｌ１５で示される。図１５（ｃ）には、ＮＯｘ触媒３、ＡＳＣ触媒４から流れ出る排気であって、ＮＯｘセンサ８が晒される排気に含まれるアンモニア量（アンモニアスリップ量）の推移が、線Ｌ１６で示される。また、ＮＯｘ触媒３でのアンモニア吸着が平衡状態にあるときのアンモニアスリップ量の推移が、線Ｌ１７で示される。図１５（ｄ）には、ＮＯｘセンサ７、８の検出値を利用して算出されたＮＯｘ浄化率の推移が、線Ｌ１８で示される。図１５（ｅ）には、仮故障時吸着量差ΔＸの推移が、線Ｌ１９で示される。図１５の各図の横軸は時間であり、共通の時間範囲での各パラメータの推移が、図示されている。

図１５（ｂ）で示される時間Ｔ１１〜Ｔ１２の期間において、ＮＯｘ触媒３の温度が急に低下しており、Ｔ１２〜Ｔ１３の期間においてもＮＯｘ触媒３が温度低下過程にある。その結果、特にＴ１２近傍から一定の期間においては、実際のアンモニアスリップ量（線Ｌ１６で示される）が、平衡状態のＮＯｘ触媒におけるアンモニアスリップ量（線Ｌ１７で示される）を下回り、その結果、ＮＯｘ浄化率が一時的に上昇していることが把握できる。この一定期間においては、仮故障時吸着量差は図１５（ｅ）の線Ｌ１９に示すように、他の期間に比べて非常に大きな値で推移することになる。そこで、この一定の期間では、上記の誤正常判定が生じる可能性があると考えられるため、当該期間を故障判定禁止期間（Ｓ２０６の処理によって設定される期間）とすることで、誤って正常判定がされるのを回避することができる。

＜変形例＞
本発明に係る排気浄化装置の故障判定システムにおいて実行される故障判定実行制御の第二の実施例について説明する。図１４に示す制御では、Ｓ２０４で否定判定されると、すなわち誤正常判定の可能性があると判定されると、ＮＯｘ触媒３の故障判定自体が禁止される。本実施例では、その態様に代えて、ＮＯｘ触媒３の故障判定において、仮故障時吸着量差ΔＸに起因する一時的なＮＯｘ浄化率の上昇の原因であるＮＯｘセンサ８の検出値の利用を制限してもよい。ＮＯｘセンサ８の検出値の利用が制限された場合、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気中のＮＯｘは、ＮＯｘ触媒３の温度、内燃機関１の運転履歴に基づいて推定されるＮＯｘ触媒３でのＮＯｘの還元効率、排気流量等に基づいて推定される。このように推定されたＮＯｘ量を代替的に利用することで、少なくともＮＯｘセンサ８の検出値に依存する一時的なＮＯｘ浄化率の上昇により誤正常判定が生じてしまうのを回避することができる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
４ ＡＳＣ触媒
５ 供給弁
７、８ ＮＯｘセンサ
９ 温度センサ
１１ クランクポジションセンサ
１２ アクセル開度センサ
２０ ＥＣＵ
３０ 排気浄化装置

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤とする選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流側で、該選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体を供給する還元剤供給部と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも下流側に設けられ、該選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する排気中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサと、
   を有する排気浄化装置の故障判定システムであって、
   前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、前記排気浄化装置の故障判定を行う故障判定部と、
   前記排気浄化装置が所定の故障状態にあると仮定した場合の、該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着の平衡状態におけるアンモニア平衡吸着量と、実際の該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量との差である仮故障時吸着量差を算出する算出部と、
   前記算出部によって算出される前記仮故障時吸着量差が所定値を超える場合には、前記故障判定部による故障判定において前記ＮＯｘセンサの検出値の利用を制限し、又は該故障判定部による故障判定自体を禁止する故障判定制限部と、
   を備える、排気浄化装置の故障判定システム。
2. 前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、前記排気浄化装置が有する前記還元剤供給部の故障判定を行い、
   前記算出部は、前記排気浄化装置が有する前記還元剤供給部が前記所定の故障状態にあると仮定した場合の前記仮故障時吸着量差であって、実際の前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量が前記アンモニア平衡吸着量より大きくなる状態での該仮故障時吸着量差を算出する、
   請求項１に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
3. 前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値および前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中のＮＯｘ量から算出される該選択還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率に基づいて、故障判定を行い、
   前記所定の故障状態は、前記故障判定部により前記還元剤供給部が故障していると判定される場合の前記ＮＯｘ浄化率の閾値に対応して設定された故障状態である、
   請求項２に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
4. 前記算出部は、少なくとも、温度上昇過程における前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度である過渡時触媒温度に対応する、実際の該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と、該過渡時触媒温度に対応する該選択還元型ＮＯｘ触媒の前記平衡吸着量との吸着量差に基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出する、
   請求項２又は請求項３に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
5. 前記算出部は、更に、
   前記還元剤供給部から供給される還元剤のうち余剰な還元剤に起因して、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に余剰に吸着する余剰アンモニア吸着量と、
   前記過渡時触媒温度にある前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量の、アンモニア吸着に関し平衡状態にある該選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量からの増加量である、消費アンモニア増加量と、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒から脱離するアンモニア脱離量と、
   の少なくとも一つに基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出する請求項４に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
6. 前記ＮＯｘセンサは、排気中のアンモニアもＮＯｘとして検出するセンサであって、
   前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、前記排気浄化装置が有する前記選択還元型ＮＯｘ触媒の劣化に関する故障判定を行い、
   前記算出部は、前記排気浄化装置が有する前記選択還元型ＮＯｘ触媒が所定の故障状態にあると仮定した場合の前記仮故障時吸着量差であって、該選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が低下している過程において実際の該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量が該アンモニア平衡吸着量より小さくなる状態での該仮故障時吸着量差を算出する、
   請求項１に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
7. 前記故障判定部は、前記ＮＯｘセンサの検出値および前記選択還元型ＮＯｘ触媒に流れ込む排気中のＮＯｘ量から算出される該選択還元型ＮＯｘ触媒によるＮＯｘ浄化率に基づいて、故障判定を行い、
   前記所定の故障状態は、前記故障判定部により該選択還元型ＮＯｘ触媒が劣化していると判定される場合の前記ＮＯｘ浄化率の閾値に対応して設定された故障状態である、
   請求項６に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
8. 前記算出部は、少なくとも、温度低下過程における前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度である過渡時触媒温度に対応する、該選択還元型ＮＯｘ触媒でのアンモニア吸着量と、該過渡時触媒温度に対応する該選択還元型ＮＯｘ触媒の前記平衡吸着量との吸着量差に基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出する、
   請求項６又は請求項７に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
9. 前記算出部は、更に、
   前記還元剤供給部から供給される還元剤のうち前記所定の故障状態に応じて余剰な還元剤となる余剰還元剤に起因して、前記過渡時触媒温度にある該選択還元型ＮＯｘ触媒に余剰に吸着する余剰アンモニア吸着量と、
   前記過渡時触媒温度にある前記選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量の、アンモニア吸着に関し平衡状態にある該選択還元型ＮＯｘ触媒でのＮＯｘ還元のためのアンモニア消費量からの低下量である、消費アンモニア低下量と、
   のうち少なくとも何れか一方に基づいて、前記仮故障時吸着量差を算出する、
   請求項８に記載の排気浄化装置の故障判定システム。
10. 前記消費アンモニア低下量は、零に設定される、
    請求項９に記載の排気浄化装置の故障判定システム。

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