JP5895882B2 - 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。

内燃機関の排気通路に選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を直列に２つ配置した排気浄化システムが知られている。なお、ＳＣＲ触媒は、アンモニアを還元剤としてＮＯｘを選択還元する。このように、ＳＣＲ触媒を直列に２つ備えている場合には、上流側のＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘを、下流側のＳＣＲ触媒において浄化することができる。このようなシステムにおいて、触媒の劣化の度合いに応じて、アンモニアの供給量が最適となるように調整する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、ＳＣＲ触媒を直列に２つ配置し、上流側のＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が、下流側のＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率よりも低い場合には、システムの劣化と判断する技術が知られている（例えば、特許文献２参照。）。ＮＯｘ浄化率は、ＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘ量に対する、ＳＣＲ触媒において浄化されるＮＯｘ量の比である。このＮＯｘ量は、ＮＯｘ濃度としてもよい。

さらに、ＳＣＲ触媒へ流入する排気の温度が所定温度以上であった時間の積算値に基づいて、ＳＣＲ触媒の劣化判定を実施する技術が知られている（例えば、特許文献３参照。）。

ところで、ＳＣＲ触媒を直列に２つ配置しているシステムにおいては、上流側のＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘと、下流側のＳＣＲ触媒から流出するＮＯｘと、からシステム全体のＮＯｘ浄化率を算出することができる。しかし、システム全体のＮＯｘ浄化率に基づいてシステムの劣化を判定すると、センサの検出値のばらつきの影響が大きくなるため、精度が低くなる虞がある。また、システム全体で劣化判定の条件を設定した場合には、夫々の触媒における状態が劣化判定に適切な条件になっているとは限らない。このため、劣化判定の精度が低くなる虞がある。

国際公開第２０１０／０９５２２１号 特開２０１２−０８２７０３号公報 特開２００６−０８２７０３号公報

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、複数のＳＣＲ触媒を直列に備えるシステムにおいてシステム全体としての劣化判定の精度を高めることにある。

上記課題を達成するために本発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第一ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気
中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第二ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒及び前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を夫々推定又は算出する浄化率算出手段と、
を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ、前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下の場合に、前記第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化していると判定する判定手段を備える。

第一ＳＣＲ触媒の劣化が進行すると共に、該第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が増加するため、第二ＳＣＲ触媒に供給される還元剤量が増加する。これにより、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率は上昇する。そして、その後に、第二ＳＣＲ触媒の劣化が進行すると、該第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率も低下して、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下する。すなわち、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒の劣化が進行することにより、システム全体が劣化する。

ここで、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が増加すると、第二ＳＣＲ触媒に供給される還元剤量が増加するため、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率は上昇し得る。すなわち、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量の閾値は、第一ＳＣＲ触媒の劣化が進行し、第二ＳＣＲ触媒へ十分な量の還元剤が供給されるときのアンモニアの流出量とすることができる。この閾値は、第二ＳＣＲ触媒が正常であれば、該第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるアンモニア量としてもよい。

しかし、第二ＳＣＲ触媒の劣化が進行すると共に該第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下するため、該第二ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が閾値以下となっている場合には、第二ＳＣＲ触媒の劣化も進行していると考えることができる。ここで、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率の閾値は、第二ＳＣＲ触媒の劣化の度合いが、許容範囲を超えた場合のＮＯｘ浄化率とすることができる。そして、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下の場合に、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化していると判定することで、システム全体としての劣化をより正確に判定することができる。

上記課題を達成するために本発明は、
内燃機関の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第一ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第二ＳＣＲ触媒と、
前記第一ＳＣＲ触媒及び前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を夫々推定又は算出する浄化率算出手段と、
を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、
前記第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ、前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下の場合に、前記第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化しているか否かの判定を行う判定手段を備える。

ここで、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が増加すると、第二ＳＣＲ触媒に供給される還元剤量が増加するため、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率は上昇し得る。すなわち、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量の閾値は、第一ＳＣＲ触媒の劣化が進行し、第二ＳＣＲ触媒へ十分な量の還元剤が供給されるときのアンモニアの流出量とすることができる。この閾値は、第二ＳＣＲ触媒が正常であれば、該第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が許容範囲内となるアンモニア量としてもよい。

しかし、第二ＳＣＲ触媒の劣化が進行すると共に該第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が低下するため、該第二ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率が閾値以下となっている場合には、第二ＳＣＲ触媒の劣化も進行していると考えることができる。ここで、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率の閾値は、第二ＳＣＲ触媒の劣化の度合いが、システム全体の劣化判定を行う必要があるほど低下した場合のＮＯｘ浄化率とすることができる。そして、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下の場合に、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化しているか否かの判定を行うことで、システム全体としての劣化をより正確に判定することができる。

また、本発明においては、前記判定手段は、前記第一ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第一ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第二ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、の積が、閾値よりも大きな場合には、前記第一ＳＣＲ触媒及び前記第二ＳＣＲ触媒が劣化していると判定することができる。

第一ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第一ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合とは、第一ＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘ量に対する、第一ＳＣＲ触媒から流出するＮＯｘ量の比である。同様に、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第二ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合とは、第二ＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘ量に対する、第二ＳＣＲ触媒から流出するＮＯｘ量の比である。なお、ＮＯｘ量は、ＮＯｘ濃度としてもよい。

ここで、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量と、第一ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、は相関関係にある。すなわち、第一ＳＣＲ触媒においてＮＯｘ浄化率が低下して該第一ＳＣＲ触媒において浄化さされなかったＮＯｘの割合が増加すれば、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量も増加する。また、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率と、第二ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、は相関関係にある。すなわち、第二ＳＣＲ触媒においてＮＯｘ浄化率が低下すれば、第二ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合が大きくなる。したがって、第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下の場合には、第一ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第一ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第二ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、の積が、閾値よりも大きくなり、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化していると判定することができる。

また、「前記第一ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第一ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第二ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、の積」は、第一ＳＣＲ触媒に流入するＮＯｘ量に対する、第二ＳＣＲ触媒から流出するＮＯｘ量の比を表している。これは、システム全体に流入するＮＯｘ量に対する、システム全体から流出するＮＯｘ量の比であり、システム全体で浄化されなかったＮＯｘ量の比を示している。そして、この比が大きくなるということは、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下していることを示している。このため、この比が閾値よりも大きな場合には、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化していると判定することができる。この閾値は、システム全体としての許容範囲の上限値である。このようにして、第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が共に劣化したことによりシステム全体として劣化していると判断することができる。

また、本発明においては、前記浄化率算出手段は、前記第二ＳＣＲ触媒における劣化の度合いを、該第二ＳＣＲ触媒の温度が所定温度以上であった時間の積算値に基づいて推定することができる。

このように第二ＳＣＲ触媒における劣化の度合いを推定することにより、ＮＯｘ浄化率を算出するためのＮＯｘセンサ等を取り付けなくても済むので、コストを削減することができる。

本発明によれば、複数のＳＣＲ触媒を直列に備えるシステムにおいてシステム全体としての劣化判定の精度を高めることができる。

実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。 還元剤供給量と、第一ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。 第一ＳＣＲ触媒と該第一ＳＣＲ触媒のアンモニア吸着能との関係を示した図である。 還元剤供給量と、第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。 還元剤供給量と、システム全体としてのＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。 第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒の夫々について、還元剤供給量とＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。 実施例に係る触媒の劣化判定のフローを示したフローチャートである。 ＳＣＲ触媒の温度と浄化能力との関係を示した図である。 ＳＣＲ触媒の温度と劣化の度合いとの推移を示したタイムチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の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＞
図１は、本実施例に係る内燃機関の吸排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のディーゼル機関であるが、ガソリン機関であってもよい。内燃機関１には吸気通路２及び排気通路３が接続されている。吸気通路２には、エアフローメータ１７及びスロットル７が設けられている。エアフローメータ１７は内燃機関１の吸入空気量を検知する。スロットル７は内燃機関１の吸入空気量を調整する。

排気通路３には、第一排気温度センサ１１、空燃比センサ１２、第一ＮＯｘセンサ１３、還元剤供給弁４、第一ＳＣＲ触媒５、第二排気温度センサ１４、第二ＮＯｘセンサ１５、第二ＳＣＲ触媒６、第三ＮＯｘセンサ１６が排気の流れに沿って上流側から順に設けられている。なお、第一排気温度センサ１１よりも上流の排気通路３に、酸化触媒、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒、フィルタ等を備えていてもよい。

第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６は、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する。なお、第一ＳＣＲ触媒５または第二ＳＣＲ触媒６は、フィルタに担持されていてもよい。

還元剤供給弁４は、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６にアンモニアを供給すべく、排気中に尿素水を供給する。排気の熱により尿素が加水分解することでアンモニアが生
成される。なお、還元剤供給弁４は、アンモニア、又はアンモニアの前駆体を供給してもよい。また、還元剤は、気体、液体、固体の何れの状態で供給してもよい。

第一排気温度センサ１１及び第二排気温度センサ１４は、排気の温度を検知するセンサである。第一排気温度センサ１１は、内燃機関１から流出する排気の温度または第一ＳＣＲ触媒５に流入する排気の温度を検知する。第二排気温度センサ１４は、第一ＳＣＲ触媒５から流出する排気の温度又は第二ＳＣＲ触媒６に流入する排気の温度を検知する。第一ＮＯｘセンサ１３、第二ＮＯｘセンサ１５、第三ＮＯｘセンサ１６は排気中のＮＯｘ濃度を検知するセンサである。第一ＮＯｘセンサ１３は、第一ＳＣＲ触媒５に流入する排気中のＮＯｘ濃度を検知する。なお、内燃機関１の運転状態に基づいて、第一ＳＣＲ触媒５に流入する排気中のＮＯｘ濃度を推定することもできる。第二ＮＯｘセンサ１５は、第一ＳＣＲ触媒５から流出する排気中のＮＯｘ濃度又は第二ＳＣＲ触媒６に流入する排気中のＮＯｘ濃度を検知する。第三ＮＯｘセンサ１６は、第二ＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度を検知する。

内燃機関１には、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０には、上記センサが電気的に接続されている。そして、各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。ＥＣＵ１０は、エアフローメータ１７の出力値に基づいて排気通路３における排気の流量を推定する。また、ＥＣＵ１０は、第一排気温度センサ１１の出力値に基づいて第一ＳＣＲ触媒５の温度を推定し、第二排気温度センサ１４の出力値に基づいて第二ＳＣＲ触媒６の温度を推定する。また、ＥＣＵ１０は、第一ＮＯｘセンサ１３及び第二ＮＯｘセンサ１５の出力値に基づいて、第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を算出する。また、ＥＣＵ１０は、第二ＮＯｘセンサ１５及び第三ＮＯｘセンサ１６の出力値に基づいて、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率を算出する。なお、本実施例においてはＮＯｘ浄化率を算出するＥＣＵ１０が、本発明における浄化率算出手段に相当する。

さらに、ＥＣＵ１０には、スロットル７及び還元剤供給弁４が電気的に接続されている。そして、これらの装置がＥＣＵ１０によって制御される。

ＥＣＵ１０は、第一ＮＯｘセンサ１３、第二ＮＯｘセンサ１５、第三ＮＯｘセンサ１６により検出されるＮＯｘ濃度に基づいて、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６の劣化判定を実施する。これにより、システム全体として劣化しているか否か判定する。

ここで、第一ＳＣＲ触媒５へのアンモニア供給量が過剰になると、該第一ＳＣＲ触媒５からアンモニアが流出する（アンモニアスリップが発生する）。また、第一ＳＣＲ触媒５の劣化が進行すると、該第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率が低下すると共に、第一ＳＣＲ触媒５を通り抜けるアンモニア量が増加する。すなわち、アンモニアスリップ量が増加する。そうすると、第二ＳＣＲ触媒６に供給される還元剤量が増加するため、該第二ＳＣＲ触媒６が正常であれば、該第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率は上昇することになる。一方、第二ＳＣＲ触媒６においても、劣化が進行するにしたがってＮＯｘ浄化率が低下する。なお、第一ＳＣＲ触媒５のほうが第二ＳＣＲ触媒６よりも上流側に設けられているため、第一ＳＣＲ触媒５のほうの温度が上昇しやすい。このため、一般的に、第一ＳＣＲ触媒５のほうが、第二ＳＣＲ触媒６よりも、劣化の進行が早い。

ここで、図２は、還元剤供給量と、第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。なお、「アンモニアスリップ」で示される範囲（ハッチング部分）は、第一ＳＣＲ触媒５からアンモニアが流出する範囲である。還元剤供給量は、還元剤供給弁４から供給される還元量である。第一ＳＣＲ触媒５の劣化が進行するにしたがって、アンモニアの吸着能が低下し、より少ない還元剤供給量でアンモニアスリップが発生する。このため、アンモニアスリップが発生する還元剤供給量の範囲が広がる。また、ＮＯｘ浄化
率も全体的に低下する。

ここで、図３は、第一ＳＣＲ触媒５と該第一ＳＣＲ触媒５のアンモニア吸着能との関係を示した図である。ＳＣＲ触媒では、温度が高くなるほど、アンモニア吸着能が低下する。そして、アンモニア吸着能が低くなると、ＮＯｘ浄化率が低下する。すなわち、図２に示した関係は、温度によって変化する。

そして、本実施例では、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６がある程度劣化した状態で、システム全体としての劣化判定を実施する。この劣化判定では、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６を合わせたシステム全体として、浄化されなかったＮＯｘの比率を算出し、この比率が閾値よりも大きな場合に、システムが劣化していると判定する。この場合、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が閾値よりも小さな場合に、システムが劣化していると判定してもよい。

図４は、還元剤供給量と、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。還元剤供給量は、第一ＳＣＲ触媒５から流出する還元量である。第二ＳＣＲ触媒６が劣化するにしたがって、アンモニア吸着能が低下し、ＮＯｘ浄化率が全体的に低下する。

また、図５は、還元剤供給量と、システム全体としてのＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。システム全体としてのＮＯｘ浄化率が、閾値よりも小さくなった場合に、劣化と判定している。図５において、「劣化判定可能差分」は、劣化したと判定可能なＮＯｘ浄化率の低下分を示している。また、「システム浄化率の低下」は、システム全体としてのＮＯｘ浄化率の低下分を示している。そして、図５に示した場合、すなわち、システム全体としてのＮＯｘ浄化率のみで劣化判定を行う場合には、「劣化判定可能差分」は、「システム浄化率の低下」と等しい。

一方、図６は、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６の夫々について、還元剤供給量とＮＯｘ浄化率との関係を示した図である。この場合、第一ＳＣＲ触媒５では、劣化の度合いが「劣化判定可能差分」に達していても、第二ＳＣＲ触媒６では、劣化の度合いが小さく、「システム浄化率の低下」は小さくなる。すなわち、第一ＳＣＲ触媒５の劣化が進行しても、第二ＳＣＲ触媒６の劣化の度合いが小さければ、システム全体としては劣化していないと判定される。このように、システム全体としての劣化を判定するのと、夫々の触媒の劣化を判定するのとでは、考え方が異なる。

そして、本実施例では、夫々の触媒の劣化がある程度進行した後に、システム全体としての劣化を判定することで、劣化判定の精度を高めている。

図７は、本実施例に係る触媒の劣化判定のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により所定の時間毎に実施される。なお、本実施例においては図７に示すフローを処理するＥＣＵ１０が、本発明における判定手段に相当する。

ステップＳ１０１では、劣化判定の実施が可能となる前提条件が成立しているか否か判定される。例えば、内燃機関１の冷却水温度、外気温度、気圧、運転条件などが、劣化判定を実施するのに適した状態であるか否か判定される。劣化判定を実施するのに適した状態である場合に限り、劣化判定を実施することにより、劣化判定の精度を向上させることができる。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０２では、第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率が、所定値Ａ未満であ
るか否か判定される。ここでいう所定値Ａは、劣化判定が必要でないＮＯｘ浄化率の下限値である。すなわち、本ステップでは、第一ＳＣＲ触媒５の劣化が、システム全体としての劣化判定が必要なほど進行しているか否か判定している。なお、所定値Ａは、第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が高いほど、小さくすることができる。すなわち、第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が高ければ、第一ＳＣＲ触媒５のＮＯｘ浄化率が低くても、システム全体としてのＮＯｘ浄化率は許容範囲内となるので、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下して劣化判定が必要となるまでは、システム全体としての劣化判定は行わない。そして、第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率に基づいて所定値Ａを変更することで、処理を削減できる。第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率と所定値Ａとの関係は、予め実験またはシミュレーションにより求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。そして、ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０３では、第二ＳＣＲ触媒６へ流入するアンモニア量が算出される。本ステップでは、第一ＳＣＲ触媒５から流出するアンモニア量を算出する。このアンモニア量は、第二ＳＣＲ触媒６への還元剤供給量である。第二ＳＣＲ触媒６へ流入するアンモニア量は、運転条件及び第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率と相関関係にあるため、これらの関係を予め実験またはシミュレーションにより求めてＥＣＵ１０に記憶させておく。なお、第一ＳＣＲ触媒５と第二ＳＣＲ触媒６との間の排気通路３に、アンモニアを検出するアンモニアセンサを取り付けて、該アンモニアセンサの検出値に基づいて、第一ＳＣＲ触媒５から流出するアンモニア量を算出してもよい。

ステップＳ１０４では、第二ＳＣＲ触媒６へ流入するアンモニア量が、所定値Ｂ以上であるか否か判定される。ここでいう所定値Ｂは、第二ＳＣＲ触媒６においてＮＯｘを浄化するのに十分なアンモニア量である。第一ＳＣＲ触媒５の劣化が進行すると共に、該第一ＳＣＲ触媒５から流出するアンモニア量が増加する。しかし、内燃機関１の運転状態等によっては、第二ＳＣＲ触媒６においてＮＯｘを浄化するのに十分な量のアンモニアが供給されていない場合もある。このような場合には、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が低くなるが、これは劣化によるものではない。このように、劣化によらずＮＯｘ浄化率が低くなる場合には、劣化判定を行わないようにする。ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０５では、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が算出される。第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率は、第二ＮＯｘセンサ１５及び第三ＮＯｘセンサ１６により検出されるＮＯｘ濃度に基づいて算出される。ここで、ＮＯｘセンサは、ＮＯｘと同様にアンモニアも検出する。このため、第二ＮＯｘセンサ１５及び第三ＮＯｘセンサ１６により検出されるＮＯｘ濃度から、アンモニアの影響を除去した後に、ＮＯｘ浄化率を算出する。アンモニア量は、ステップＳ１０３で算出した。また、センサによりアンモニア量を検出してもよい。なお、第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率も同様に考えて算出することができる。

ステップＳ１０６では、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６において浄化されなかったＮＯｘの比率が、所定値Ｃ以下であるか否か判定される。本ステップでは、第一ＳＣＲ触媒５で浄化されなかったＮＯｘの比率に、第二ＳＣＲ触媒６で浄化されなかったＮＯｘの比率を乗じた値が、所定値Ｃ以下であるか否か判定される。第一ＳＣＲ触媒５で浄化されなかったＮＯｘの比率とは、第一ＳＣＲ触媒５に流入するＮＯｘに対する、第一ＳＣＲ触媒５から流出するＮＯｘの比率である。すなわち、１から第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率を減じた値である。第二ＳＣＲ触媒６で浄化されなかったＮＯｘの比率とは、第二ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘに対する、第二ＳＣＲ触媒６から流出するＮＯｘの
比率である。すなわち、１から第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率を減じた値である。

また、第一ＳＣＲ触媒５で浄化されなかったＮＯｘの比率に、第二ＳＣＲ触媒６で浄化されなかったＮＯｘの比率を乗じた値とは、システム全体として浄化されなかったＮＯｘの比率である。そして、ここでいう所定値Ｃは、システムの劣化の度合いが許容範囲内であるとすることのできる比率の上限値である。つまり、本ステップでは、システム全体としての劣化の度合いが許容範囲内であるか否か判定している。また、ステップＳ１０２において第一ＳＣＲ触媒５におけるＮＯｘ浄化率が所定値Ａ未満であると判定されているため、本ステップでは、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下であるか否か判定しているともいえる。ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進む。

ステップＳ１０７では、ステップＳ１０２における所定値Ａが小さくされる。すなわち、システムは正常であり、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が高いため、所定値Ａを小さくすることができる。なお、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率に応じて、所定値Ａを決定してもよい。すなわち、第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が大きいほど、所定値Ａを小さくしてもよい。この関係は、予め実験またはシミュレーションにより求めてＥＣＵ１０に記憶させておいてもよい。所定値Ａを小さくすると、ステップＳ１０２において否定判定がなされる確率が高くなる。そして、ステップＳ１０２において否定判定がなされた場合には、劣化判定は行われないが、このときには第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が大きいために問題はない。一方、ステップＳ１０２において肯定判定がなされた場合には、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６の両方が劣化している可能性が高い。この場合には、ステップＳ１０６において、システム全体としての劣化判定を実施している。

また、ステップＳ１０７において、所定値Ａを小さくすると、ステップＳ１０２において否定判定がなされる確率が高くなるが、その後に第一ＳＣＲ触媒５のＮＯｘ浄化率が低下すれば、ステップＳ１０２において肯定判定がなされる。そして、ステップＳ１０６において、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が高ければ、ステップＳ１０７において更に所定値Ａが小さくされる。このようなことが繰り返し行われることにより、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が共に低くなり、最後にはステップＳ１０６において否定判定がなされる。

そして、ステップＳ１０８では、システムが劣化していると判定される。本ステップでは、システムの劣化の度合いが、許容範囲を超えたとしてもよい。

ここで、第一ＳＣＲ触媒５が劣化するにしたがって、該第一ＳＣＲ触媒５から流出するアンモニア量が増加する。これにより、第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が高くなる。すなわち、第一ＳＣＲ触媒５が正常な場合よりも劣化している場合のほうが、第二ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が高くなる。したがって、第一ＳＣＲ触媒５が劣化したとしても、システム全体としてのＮＯｘ浄化率は、正常の範囲を維持することができる。

また、本実施例では、第一ＳＣＲ触媒５の劣化が進行し、第二ＳＣＲ触媒６へ供給されるアンモニア量が増加したにもかかわらず、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が低くなった状態で、システム全体としての劣化判定を実施している。このため、第一ＳＣＲ触媒５及び第二ＳＣＲ触媒６の何れも劣化が進行した状態で劣化判定を行っているので、夫々の触媒の劣化の状態によらず、システム全体としての劣化をより正確に判定することができる。すなわち、システム全体として触媒を使い切った状態であると判定することができる。

なお、本実施例においては、第二ＳＣＲ触媒６の劣化の度合いを推定して、システム全体としての劣化を判定してもよい。

図８は、ＳＣＲ触媒の温度と浄化能力との関係を示した図である。また、図９は、ＳＣＲ触媒の温度と劣化の度合いとの推移を示したタイムチャートである。図９の温度における閾値は、ＳＣＲ触媒の劣化の度合いが急激に進むか否かの境となる温度である。また、図９の劣化の度合いにおける閾値は、許容範囲を超えるか否かの境となる劣化の度合いである。

ＳＣＲ触媒の劣化は、閾値を超えると急激に進む。ここで、第二ＳＣＲ触媒６の過去の温度の推移から、該第二ＳＣＲ触媒６の劣化の度合いを推定することができる。そして、第一ＳＣＲ触媒５の劣化の度合いと、第二ＳＣＲ触媒６において推定される劣化の度合いと、からシステム全体としての劣化を判定することができる。ＳＣＲ触媒の温度と、劣化の度合いとの関係は、予め実験またはシミュレーションにより求めて、ＥＣＵ１０に記憶させておく。

第二ＳＣＲ触媒６における劣化の度合いは、該第二ＳＣＲ触媒６の温度が閾値以上であった時間の積算値に基づいて推定することができる。このようにして求められる第二ＳＣＲ触媒６の劣化の度合いは、該第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率と関連している。このため、推定される劣化の度合いに基づいて、第二ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率を推定することができる。このＮＯｘ浄化率をステップＳ１０５において算出する。

なお、第二ＳＣＲ触媒６を排気通路３の比較的下流側に配置することにより、該第二ＳＣＲ触媒６の劣化が進行することを抑制できる。また、例えば、触媒のコート量を増加したり、触媒の容量を増加したりすることで、第二ＳＣＲ触媒６が劣化し難くなるため、ＮＯｘ浄化率を高く維持することができる。これらにより、劣化推定精度の低下を抑制できる。

また、第一ＳＣＲ触媒５よりも上流に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）を備える場合には、該ＮＳＲ触媒へ還元剤（ＨＣ）を供給するときに、該ＮＳＲ触媒においてアンモニアが生成される。このアンモニアは、第一ＳＣＲ触媒５において還元剤として利用される。このため、還元剤供給弁４から第一ＳＣＲ触媒５へ供給するアンモニア量を減少させなければ、第一ＳＣＲ触媒５においてアンモニアが過剰となる。これにより、第一ＳＣＲ触媒５から流出するアンモニア量が増加するため、ＮＳＲ触媒において生成されるアンモニア量を考慮して、第一ＳＣＲ触媒５から流出するアンモニア量を算出してもよい。

１ 内燃機関
２ 吸気通路
３ 排気通路
４ 還元剤供給弁
５ 第一ＳＣＲ触媒
６ 第二ＳＣＲ触媒
７ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 第一排気温度センサ
１２ 空燃比センサ
１３ 第一ＮＯｘセンサ
１４ 第二排気温度センサ
１５ 第二ＮＯｘセンサ
１６ 第三ＮＯｘセンサ
１７ エアフローメータ

Claims (4)

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して排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第一ＳＣＲ触媒と、
   前記第一ＳＣＲ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第二ＳＣＲ触媒と、
   前記第一ＳＣＲ触媒及び前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を夫々推定又は算出する浄化率算出手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、
   前記第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ、前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下の場合に、前記第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化していると判定する判定手段を備える内燃機関の排気浄化システム。
2. 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排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第一ＳＣＲ触媒と、
   前記第一ＳＣＲ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である第二ＳＣＲ触媒と、
   前記第一ＳＣＲ触媒及び前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率を夫々推定又は算出する浄化率算出手段と、
   を備える内燃機関の排気浄化システムにおいて、
   前記第一ＳＣＲ触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ、前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率が閾値以下の場合に、前記第一ＳＣＲ触媒及び第二ＳＣＲ触媒が劣化しているか否かの判定を行う判定手段を備える内燃機関の排気浄化システム。
3. 前記判定手段は、前記第一ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第一ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、前記第二ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率から求まる該第二ＳＣＲ触媒において浄化されなかったＮＯｘの割合と、の積が、閾値よりも大きな場合には、前記第一ＳＣＲ触媒及び前記第二ＳＣＲ触媒が劣化していると判定する請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
4. 前記浄化率算出手段は、前記第二ＳＣＲ触媒における劣化の度合いを、該第二ＳＣＲ触媒の温度が所定温度以上であった時間の積算値に基づいて推定する請求項１から３の何れか１項に記載の内燃機関の排気浄化システム。

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