JP6163996B2

JP6163996B2 - 診断装置

Info

Publication number: JP6163996B2
Application number: JP2013193013A
Authority: JP
Inventors: 英和藤江; 正内山; 哲史塙; 直人村澤
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 2013-09-18
Filing date: 2013-09-18
Publication date: 2017-07-19
Anticipated expiration: 2033-09-18
Also published as: WO2015041291A1; JP2015059474A

Description

本発明は、診断装置に関し、特に、内燃機関の排気系に設けられる排気浄化触媒の診断に関する。

ディーゼルエンジン等の排気系に設けられる排気浄化触媒として、排気中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）を酸化し、且つ、一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ₂）を生成する酸化触媒（Diesel Oxidation Catalyst：ＤＯＣ）が知られている。また、排気中に含まれる粒子状物質（Particulate Matter：ＰＭ）を捕集するディーゼル・パティキュレイト・フィルタ（Diesel Particulate Filter：ＤＰＦ）や、尿素水を加水分解して生成されるアンモニア（ＮＨ₃）を還元剤として排気中の窒素化合物（ＮＯｘ）を選択的に還元浄化する選択的還元触媒（Selective Catalytic Reduction：ＳＣＲ）等も知られている。

ＳＣＲにおいては、排気中に含まれるＮＯと、上流側のＤＯＣやＤＰＦで生成されるＮＯ₂との比率が約１：１になると、特に低温域でＮＯｘの浄化が促進される傾向にある。すなわち、ＤＯＣやＤＰＦのＮＯ酸化能力（ＮＯ₂生成性能）が破損等により劣化すると、ＳＣＲのＮＯｘ浄化率に影響を与える可能性がある。そのため、ＤＯＣやＤＰＦの劣化状態を車載状態（On-Board）で診断する要請がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−３６８６０号公報

ＤＯＣやＤＰＦのＮＯ₂生成性能を診断する技術としては、下流側に配置したＮＯｘセンサの検出値に基づいて判定する手法がある。一般的に、ＮＯｘセンサでは、排気中のＮＯ₂値を直接的に検出することが困難なため、ＮＯ₂値はセンサ値にＮＯ₂の比率を乗算して推定する必要がある。しかしながら、排気中のＮＯに対するＮＯ₂の比率は運転状態に応じて変化するため、センサ値から推定したＮＯ₂量を用いる手法では、ＤＯＣやＤＰＦの劣化状態を高精度に診断できない可能性がある。

本発明の目的は、ＤＯＣやＤＰＦのＮＯ₂生成性能を高精度に診断できる診断装置を提供することにある。

上述の目的を達成するため、本発明の診断装置は、内燃機関の排気系に設けられて、少なくとも排気中の炭化水素及び一酸化窒素を酸化する酸化触媒と、前記酸化触媒の排気下流側に設けられて、排気中に含まれる粒子状物質を捕集すると共に、少なくとも炭化水素及び一酸化窒素を酸化するフィルタと、前記フィルタの排気下流側に設けられて、アンモニアを還元剤として排気中に含まれるＮＯｘを還元浄化する選択的還元触媒と、前記選択的還元触媒の上流側及び下流側のＮＯｘ値に基づいて、前記選択的還元触媒の触媒温度が所定の低温域にある時に低温側ＮＯｘ浄化率を演算すると共に、前記選択的還元触媒の触媒温度が所定の高温域にある時に高温側ＮＯｘ浄化率を演算する第１浄化率演算手段と、少なくとも前記酸化触媒の上流側及び下流側の排気熱量差に基づいて、前記酸化触媒の炭化水素浄化率を演算する第２浄化率演算手段と、少なくとも前記フィルタの上流側及び下流側の排気熱量差に基づいて、前記フィルタの炭化水素浄化率を演算する第３浄化率演算手段と、演算された前記低温側ＮＯｘ浄化率、前記高温側ＮＯｘ浄化率、前記酸化触媒の炭化水素浄化率及び、前記フィルタの炭化水素浄化率に基づいて、前記酸化触媒及び前記フィルタの劣化を判定する判定手段と、を備えることを特徴とする。

また、前記判定手段は、前記低温側ＮＯｘ浄化率が低下、前記高温側ＮＯｘ浄化率が正常、且つ、前記酸化触媒又は前記フィルタの少なくとも一方の炭化水素浄化率が正常な場合は、二酸化窒素の生成性能を正常と判定することが好ましい。

また、前記第２浄化率演算手段は、前記酸化触媒の上流側及び下流側の排気熱量差に、前記酸化触媒から外気に放出される熱損失量を加算して得られる炭化水素発熱量に基づいて、当該酸化触媒の炭化水素浄化率を演算することが好ましい。

また、前記第２浄化率演算手段は、自然対流の熱伝達率を含む第１モデル式及び、強制対流の熱伝達率を含む第２モデル式に基づいて前記熱損失量を演算することが好ましい。

また、前記第３浄化率演算手段は、前記フィルタの上流側及び下流側の排気熱量差に、前記フィルタから外気に放出される熱損失量を加算して得られる炭化水素発熱量に基づいて、当該フィルタの炭化水素浄化率を演算することが好ましい。

また、前記第３浄化率演算手段は、自然対流の熱伝達率を含む第３モデル式及び、強制対流の熱伝達率を含む第４モデル式に基づいて前記熱損失量を演算することが好ましい。

本発明の診断装置によれば、ＤＯＣやＤＰＦのＮＯ₂生成性能を高精度に診断することができる。

本発明の一実施形態に係る診断装置が適用されたエンジンの吸排気系を示す模式的な全体構成図である。ＤＯＣに供給されたＨＣの酸化及び、ＤＯＣをスリップしてＤＰＦに流れ込むＨＣの酸化によるエネルギ保存を説明する模式的な図である。強制対流の影響によるＤＯＣ及び、ＤＰＦの熱損失を説明する模式的な側面図である。ＳＣＲのＮＯｘ浄化率を上流側のＤＯＣ又はＤＰＦが正常な状態と劣化した状態とで比較した図である。（ａ）は、正常なＤＯＣと劣化したＤＯＣのＮＯ酸化能力（ＮＯ₂生成性能）を比較した図、（ｂ）は、正常なＤＯＣと劣化したＤＯＣのＨＣ酸化能力（ＨＣ浄化性能）を比較した図である。本実施形態の診断装置による制御内容を示すフローチャートである。

以下、添付図面に基づいて、本発明の一実施形態に係る診断装置を説明する。同一の部品には同一の符号を付してあり、それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。

図１に示すように、ディーゼルエンジン（以下、単にエンジンという）１０には、吸気マニホールド１０ａと排気マニホールド１０ｂとが設けられている。吸気マニホールド１０ａには新気を導入する吸気通路１１が接続され、排気マニホールド１０ｂには排気を大気に放出する排気通路１２が接続されている。

吸気通路１１には、吸気上流側から順に、エアクリーナ３０、ＭＡＦセンサ３１、過給機のコンプレッサ３２ａ、インタークーラ３３が設けられている。排気通路１２には、排気上流側から順に、過給機のタービン３２ｂ、前段後処理装置１４、後段後処理装置２０が設けられている。なお、図１中において、符号３６は外気温度センサを示している。

前段後処理装置１４は、円筒状の触媒ケース１４ａ内に排気上流側から順に、ＤＯＣ１５と、ＤＰＦ１６とを配置して構成されている。また、ＤＯＣ１５の上流側には排気管内噴射装置１３、ＤＯＣ１５の上流側にはＤＯＣ入口温度センサ１７、ＤＯＣ１５とＤＰＦ１６との間にはＤＯＣ出口温度センサ１８、ＤＰＦ１６の下流側にはＤＰＦ出口温度センサ１９がそれぞれ設けられている。さらに、ＤＰＦ１６の前後には、ＤＰＦ１６の上流側と下流側との差圧を検出する差圧センサ３７が設けられている。

排気管内噴射装置１３は、電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）４０から出力される指示信号に応じて、排気通路１２内に未燃燃料（主にＨＣ）を噴射する。なお、エンジン１０の多段噴射によるポスト噴射を用いる場合は、この排気管内噴射装置１３を省略してもよい。

ＤＯＣ１５は、例えば、コーディエライトハニカム構造体等のセラミック製担体表面に触媒成分を担持して形成されている。ＤＯＣ１５は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によってＨＣが供給されると、これを酸化して排気温度を上昇させる。また、ＤＯＣ１５は、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂を生成することで、排気中のＮＯに対するＮＯ₂の比率を増加させる。

ＤＰＦ１６は、例えば、多孔質性の隔壁で区画された多数のセルを排気の流れ方向に沿って配置し、これらセルの上流側と下流側とを交互に目封止して形成されている。ＤＰＦ１６は、排気中のＰＭを隔壁の細孔や表面に捕集すると共に、ＰＭ堆積量が所定量に達すると、これを燃焼除去するいわゆる強制再生が実行される。強制再生は、排気管内噴射装置１３又はポスト噴射によりＤＯＣ１５に未燃燃料（ＨＣ）を供給し、ＤＰＦ１６に流入する排気温度をＰＭ燃焼温度（例えば、約６００℃）まで昇温することで行われる。また、ＤＰＦ１６は、上流側のＤＯＣ１５で酸化されずにスリップした未燃焼のＨＣを酸化するＨＣ酸化能及び、排気ガス中のＮＯを酸化してＮＯ₂を生成するＮＯ酸化能を有している。

ＤＯＣ入口温度センサ１７は、ＤＯＣ１５に流入する上流側の排気温度（以下、ＤＯＣ入口排気温度という）を検出する。ＤＯＣ出口温度センサ１８は、ＤＯＣ１５から流出する下流側の排気温度（以下、ＤＯＣ出口排気温度又は、ＤＰＦ入口排気温度という）を検出する。ＤＰＦ出口温度センサ１９は、ＤＰＦ１６から流出する下流側の排気温度（以下、ＤＰＦ出口排気温度という）を検出する。これら温度センサ１７〜１９の検出値は、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。

後段後処理装置２０は、排気上流側から順に、尿素水噴射装置２１と、円筒状の触媒ケース２０ａ内に配置されたＳＣＲ２２とを備えて構成されている。また、ＳＣＲ２２の上流側にはＳＣＲ入口温度センサ２３及び、ＳＣＲ入口ＮＯｘセンサ２４が設けられると共に、ＳＣＲ２２の下流側にはＳＣＲ出口ＮＯｘセンサ２５がそれぞれ設けられている。

尿素水噴射装置２１は、ＥＣＵ４０から出力される指示信号に応じて、前段後処理装置１４と後段後処理装置２０との間の排気通路１２内に、図示しない尿素水タンク内の尿素水を噴射する。噴射された尿素水は排気熱により加水分解されてＮＨ₃に生成され、下流側のＳＣＲ２２に還元剤として供給される。

ＳＣＲ２２は、例えば、ハニカム構造体等のセラミック製担体表面にゼオライト等を担持して形成されている。ＳＣＲ２２は、還元剤として供給されるＮＨ₃を吸着すると共に、吸着したＮＨ₃で通過する排気ガス中からＮＯｘを還元浄化する。

ＳＣＲ入口温度センサ２３は、ＳＣＲ２２に流入する上流側の排気温度（以下、ＳＣＲ入口排気温度）を検出する。ＳＣＲ入口ＮＯｘセンサ２４は、ＳＣＲ２２に流入する排気中のＮＯｘ値を検出する。ＳＣＲ出口ＮＯｘセンサ２５は、ＳＣＲ２２から流出する排気中のＮＯｘ値を検出する。これらセンサ２３〜２５の検出値は、電気的に接続されたＥＣＵ４０に出力される。

ＥＣＵ４０は、エンジン１０や排気管内噴射装置１３、尿素水噴射装置２１等の各種制御を行うもので、公知のＣＰＵやＲＯＭ、ＲＡＭ、入力ポート、出力ポート等を備えて構成されている。また、ＥＣＵ４０は、ＮＯｘ浄化率演算部４１と、ＤＯＣ発熱率演算部４２と、ＨＣスリップ量演算部４３と、ＤＰＦ発熱率演算部４４と、ＳＣＲ浄化率判定部４５と、ＤＯＣ浄化率判定部４６と、ＤＰＦ浄化率判定部４７と、劣化判定部４８とを一部の機能要素として有する。これら各機能要素は、一体のハードウェアであるＥＣＵ４０に含まれるものとして説明するが、これらのいずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。

ＮＯｘ浄化率演算部４１は、本発明の第１浄化率演算手段の一例であって、以下の数式１に基づいて、ＳＣＲ２２の低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%と、高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%とを演算する。低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%は、ＳＣＲ入口温度センサ２３で取得されるＳＣＲ入口排気温度が、例えば１８０〜２８０度の範囲内にある時に演算される。また、高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%は、ＳＣＲ入口温度センサ２３で取得されるＳＣＲ入口排気温度が、例えば２８０度を超えた時に演算される。

数式１において、ＮＯｘ_inはＳＣＲ２２に流入する排気中のＮＯｘ値であって、ＳＣＲ入口ＮＯｘセンサ２４で取得される。また、ＮＯｘ_OUTはＳＣＲ２２から流出する排気中のＮＯｘ値であって、ＳＣＲ出口ＮＯｘセンサ２５で取得される。

ＤＯＣ発熱率演算部４２は、本発明の第２浄化率演算手段の一例であって、ＤＰＦ１６の強制再生時にＤＯＣ１５で酸化されるＨＣの発熱率（浄化率）を演算する。以下、ＤＯＣ１５内のＨＣ発熱率の詳細な演算手順を説明する。

図２に示すように、強制再生時に排気管内噴射装置１３からＤＯＣ１５に供給されたＨＣの実発熱量Ｃ_{DOC_act}は、ＤＯＣ１５の上流側の排気エネルギＱ_{DOC_in}と下流側の排気エネルギＱ_{DOC_out}との排気エネルギ差に、ＤＯＣ１５から外気に放出される熱損失量Ｑ_{DOC_lost}を加算することで得られる。

上流側の排気エネルギＱ_{DOC_in}は、以下の数式２に基づいて演算され、下流側の排気エネルギＱ_{DOC_out}は以下の数式３に基づいて演算される。

数式２，３において、ｃ_exhは排気比熱を示している。また、ｍ_exhは排気流量であって、ＭＡＦセンサ３１の検出値及びエンジン１０の燃料噴射量等から取得される。なお、排気流量ｍ_exhは、排気流量センサ（不図示）等から直接的に取得してもよい。Ｔ_{DOC_in}はＤＯＣ入口排気温度であって、ＤＯＣ入口温度センサ１７で取得される。Ｔ_{DOC_out}はＤＯＣ出口排気温度であって、ＤＯＣ出口温度センサ１８で取得される。

熱損失量Ｑ_{DOC_lost}は、自然対流による熱損失量Ｑ_{DOC_natural}と、強制対流による熱損失量Ｑ_{DOC_forced}との総和（Ｑ_{DOC_lost}＝Ｑ_{DOC_natural}＋Ｑ_{DOC_forced}）と仮定することができる。

自然対流による熱損失量Ｑ_{DOC_natural}は、以下の数式４に基づいて演算される。

数式４において、Ａ_{s_DOC}はＤＯＣ１５の外周面（又は、触媒ケース１４ａのＤＯＣ１５が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。Ｔ_{DOC_brick}はＤＯＣ１５の内部温度であって、ＤＯＣ入口排気温度Ｔ_{DOC_in}とＤＯＣ出口排気温度Ｔ_{DOC_out}との平均値として取得される。Ｔ_ambientは外気温度であって、外気温度センサ３６で取得される。ｈ_{n_DOC}は自然対流の熱伝達率であって、以下の数式５から得られる。

数式５において、ｋは空気の熱伝導率を示している。Ｌ_{n_DOC}はＤＯＣ１５の代表長さであって、ＤＯＣ１５の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{n_DOC}は、自然対流のヌセルト数を示している。

一般的に、ＤＯＣ１５は円柱状であって、さらにＤＯＣ１５を収容する触媒ケース１４ａは略円筒状に形成されている。そのため、ＤＯＣ１５内で発生した酸化熱は、これらＤＯＣ１５や触媒ケース１４ａの円筒外周面の全面を介して外気に放熱されると考えられる。自然対流による放熱が、軸心を水平方向に向けた円筒外周面の全面から伝わると仮定すると、ヌセルト数Ｎｕ_{n_DOC}は、グラスホス数：Ｇｒ、プラントル数：Ｐｒとする以下の数式６から得られる。

強制対流による熱損失量Ｑ_{DOC_forced}は、以下の数式７に基づいて演算される。

数式７において、Ａ_{f_DOC}はＤＯＣ１５の外周面（又は、触媒ケース１４ａのＤＯＣ１５が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。ｈ_{f_DOC}は強制対流の熱伝達率であって、以下の数式８から得られる。

数式８において、Ｌ_{f_DOC}はＤＯＣ１５の代表長さであって、ＤＯＣ１５の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{f_DOC}は、強制対流のヌセルト数を示している。

図３に示すように、一般的にＤＯＣ１５を収容した触媒ケース１４ａは車体のシャシフレームＳの下部に固定され、その前方には変速機ＴＭ等が配置されている。そのため、走行時に車体前方から下部に流れ込む走行風は、ＤＯＣ１５（又は、触媒ケース１４ａ）の下面部にのみ影響を与える平板上の乱流と仮定することができる。すなわち、強制対流のヌセルト数Ｎｕ_{f_DOC}は、平板上の乱流熱伝達式を解いて導かれる以下の数式９から得られる。

数式９において、Ｒｅはレイノルズ数を示している。レイノルズ数Ｒｅは、空気の平均速度：ｖ、空気密度：ρ、ＤＯＣ１５の代表長さ：Ｌ_{f_DOC}、動粘性係数：μとする以下の数式１０から得られる。

ＤＯＣ発熱率演算部４２は、上述の数式２に基づいて演算した上流側の排気エネルギＱ_{DOC_in}と、上述の数式３に基づいて演算した下流側の排気エネルギＱ_{DOC_out}との排気エネルギ差に、上述の数式４〜１０に基づいて演算した熱損失量Ｑ_{DOC_lost}を加算することで、強制再生時におけるＤＯＣ１５内のＨＣ実発熱量Ｃ_{DOC_act}を演算する。そして、ＨＣ実発熱量Ｃ_{DOC_act}を排気管内噴射（又はポスト噴射）の理論発熱量Ｃ_{DOC_theo}で除算することで、ＤＯＣ１５内でのＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}を演算するように構成されている（Ｃ_{DOC_act%}＝Ｃ_{DOC_act}／Ｃ_{DOC_theo}）。理論発熱量Ｃ_{DOC_theo}は、排気管内噴射量（又はポスト噴射量）ＨＣ_{inj_qty}にＨＣの理論発熱率Ｃ_theo%を乗算することで得られる（Ｃ_{DOC_theo}＝ＨＣ_{inj_qty}・Ｃ_theo%）。

ＨＣスリップ量演算部４３は、ＤＯＣ発熱率演算部４２で演算されたＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}及び、排気管内噴射量（又はポスト噴射量）ＨＣ_{inj_qty}に基づいて、ＤＯＣ１５で酸化されずに下流側のＤＰＦ１６に流れ込む未燃焼ＨＣのスリップ量ＨＣ_{slp_qty}を演算する。スリップ量ＨＣ_{slp_qty}は、排気管内噴射量ＨＣ_{inj_qty}にＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}を乗算することで得られる（ＨＣ_{slp_qty}＝ＨＣ_{inj_qty}×（１−Ｃ_{DOC_ACT%}））。

ＤＰＦ発熱率演算部４４は、本発明の第３浄化率演算手段の一例であって、強制再生時にＤＯＣ１５をスリップしてＤＰＦ１６に流れ込んだＨＣの発熱率（浄化率）を演算する。以下、ＤＰＦ１６内のＨＣ発熱率の詳細な演算手順を説明する。

図２に示すように、ＤＯＣ１５をスリップしてＤＰＦ１６で酸化されるＨＣの実発熱量Ｃ_{DPF_act}は、ＤＰＦ１６の上流側の排気エネルギＱ_{DPF_in}と下流側の排気エネルギＱ_{DPF_out}との排気エネルギ差に、ＤＰＦ１６から外気に放出される熱損失量Ｑ_{DPF_lost}を加算することで得られる。

上流側の排気エネルギＱ_{DPF_in}は、以下の数式１１に基づいて演算され、下流側の排気エネルギＱ_{DPF_out}は以下の数式１２に基づいて演算される。

数式１１，１２において、Ｔ_{DPF_in}はＤＰＦ入口排気温度であって、ＤＯＣ出口温度センサ１８で取得される。Ｔ_{DPF_out}はＤＰＦ出口排気温度であって、ＤＰＦ出口温度センサ１９で取得される。なお、ＤＰＦ出口排気温度Ｔ_{DPF_out}は、ＳＣＲ入口温度センサ２３で取得されてもよい。

熱損失量Ｑ_{DPF_lost}は、自然対流による熱損失量Ｑ_{DPF_natural}と、強制対流による熱損失量Ｑ_{DPF_forced}との総和（Ｑ_{DPF_lost}＝Ｑ_{DPF_natural}＋Ｑ_{DPF_forced}）と仮定することができる。

自然対流による熱損失量Ｑ_{DPF_natural}は、以下の数式１３に基づいて演算される。

数式１３において、Ａ_{s_DPF}はＤＰＦ１６の外周面（又は、触媒ケース１４ａのＤＰＦ１６が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。Ｔ_{DPF_brick}はＤＰＦ１６の内部温度であって、ＤＰＦ入口排気温度Ｔ_{DPF_in}とＤＰＦ出口排気温度Ｔ_{DPF_out}との平均値として取得される。ｈ_{n_DPF}は自然対流の熱伝達率であって、以下の数式１４から得られる。

数式１４において、Ｌ_{n_DPF}はＤＰＦ１６の代表長さであって、ＤＰＦ１６の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{n_DPF}は、自然対流のヌセルト数であって、上述の数式５と同様に、ＤＰＦ１６や触媒ケース１４ａの円筒外周面の全面から放熱されると仮定すると、以下の数式１５から得ることができる。

強制対流による熱損失量Ｑ_{DPF_forced}は、以下の数式１６に基づいて演算される。

数式１６において、Ａ_{f_DPF}はＤＰＦ１６の外周面（又は、触媒ケース１４ａのＤＰＦ１６が設けられた部分の外周面）の有効面積を示している。ｈ_{f_DPF}は強制対流の熱伝達率であって、以下の数式１７から得られる。

数式１７において、Ｌ_{f_DPF}はＤＰＦ１６の代表長さであって、ＤＰＦ１６の容量等に応じて適宜設定される。Ｎｕ_{f_DPF}は、強制対流のヌセルト数であって、上述の数式８と同様に、強制対流がＤＰＦ１６（又は、触媒ケース１４ａ）の下面部にのみ影響を与える平板上の乱流と仮定すると、以下の数式１８から得ることができる。

数式１８のレイノルズ数Ｒｅは、空気の平均速度：ｖ、空気密度：ρ、ＤＰＦ１６の代表長さ：Ｌ_{f_DPF}、動粘性係数：μとする以下の数式１９から得られる。

ＤＰＦ発熱率演算部４４は、上述の数式１１に基づいて演算した上流側の排気エネルギＱ_{DPF_in}と、上述の数式１２に基づいて演算した下流側の排気エネルギＱ_{DPF_out}との排気エネルギ差に、上述の数式１３〜１９に基づいて演算した熱損失量Ｑ_{DPF_lost}を加算することで、ＤＰＦ１６内のＨＣ実発熱量Ｃ_{DPF_act}を演算する。そして、ＨＣ実発熱量Ｃ_{DPF_act}をＤＯＣ１５からスリップしたＨＣの理論発熱量Ｃ_{DPF_theo}で除算することで、ＤＰＦ１６内でのＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}を演算するように構成されている（Ｃ_{DPF_act%}＝Ｃ_{DPF_act}／Ｃ_{DPF_theo}）。理論発熱量Ｃ_{DPF_theo}は、スリップ量ＨＣ_{slp_qty}にＨＣの理論発熱率Ｃ_theo%を乗算することで得られる（Ｃ_{DPF_theo}＝Ｃ_{slp_qty}×Ｃ_theo%）。

ＳＣＲ浄化率判定部４５は、本発明の判定手段の一例であって、ＮＯｘ浄化率演算部４１で演算される低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%及び、高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%に基づいて、ＳＣＲ２２におけるＮＯｘ浄化率の低下を判定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により求めた、ＳＣＲ２２に流入する排気中のＮＯ及びＮＯ₂がＤＯＣ１５を正常とした場合のＮＯｘ浄化率閾値ＮＣ_STD%（例えば、図４の実線）が記憶されている。ＳＣＲ浄化率判定部４５は、低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%とＮＯｘ浄化率閾値ＮＣ_STD%との差ΔＮＣ_LOW%及び、高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%とＮＯｘ浄化率閾値ＮＣ_STD%との差ΔＮＣ_HIGH%が所定の上限閾値ΔＮＣ_MAXに達すると、これら低温側及び高温側のＮＯｘ浄化率を低下と判定する。

ＤＯＣ浄化率判定部４６は、発明の判定手段の一例であって、ＤＯＣ発熱率演算部４２で演算されるＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}に基づいて、ＤＯＣ１５におけるＨＣ浄化率の低下を判定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により求めた、ＤＯＣ１５内で所定量のＨＣが略完全に酸化した場合のＨＣ発熱率閾値Ｃ_{DOC_STD%}が記憶されている。ＤＯＣ浄化率判定部４６は、ＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}とＨＣ発熱率閾値Ｃ_{DOC_STD%}との差ΔＣ_{DOC_%}が所定の上限閾値ΔＣ_MAXに達すると、ＤＯＣ１５のＨＣ浄化率を低下と判定する。

ＤＰＦ浄化率判定部４７は、発明の判定手段の一例であって、ＤＰＦ発熱率演算部４４で演算されるＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}に基づいて、ＤＰＦ１６におけるＨＣ浄化率の低下を判定する。より詳しくは、ＥＣＵ４０には、予め実験等により求めた、ＤＰＦ１６内で所定量のＨＣが略完全に酸化した場合のＨＣ発熱率閾値Ｃ_{DPF_STD%}が記憶されている。ＤＰＦ浄化率判定部４７は、ＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}とＨＣ発熱率閾値Ｃ_{DPF_STD%}との差ΔＣ_{DPF_%}が所定の上限閾値ΔＣ_MAXに達すると、ＤＰＦ１６のＨＣ浄化率を低下と判定する。

劣化判定部４８は、本発明の判定手段の一例であって、ＳＣＲ浄化率判定部４３によるＳＣＲ２２のＮＯｘ浄化率の判定結果、ＤＯＣ浄化率判定部４６によるＤＯＣ１５のＨＣ浄化率の判定結果及び、ＤＰＦ浄化率判定部４７によるＤＰＦ１６のＨＣ浄化率の判定結果に基づいて、ＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能の劣化を判定する。以下、詳細な劣化の判定手順を説明する。

一般的に、ＳＣＲ２２においては、上流側に配置されたＤＯＣ１５又はＤＰＦ１６のＮＯ酸化能力（ＮＯ₂生成性能）が低下すると、図４に示すように、特に低温域（例えば、約１８０〜２８０度）でＮＯｘ浄化性能が低下する一方、高温域（例えば、約２８０度以上）ではＮＯｘ浄化性能は低下しない傾向がある。すなわち、低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%が低下しても、高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%が低下していない場合は、ＳＣＲ２２自体は正常と推定される。

また、一般的に、ＤＯＣ１５においては、図５（ａ）に示すように、ＮＯ₂生成性能が低下すると、図５（ｂ）に示すように、ＨＣ酸化能力（ＨＣ浄化率）も同様に低下する傾向がある。すなわち、ＤＯＣ１５の劣化によりＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}が低下している場合は、付随的にＮＯ₂生成性能も低下していると推定される。同様に、ＤＰＦ１６においても、ＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}が低下した場合は、ＮＯ₂生成性能も付随して低下していると推定される。

すなわち、〔条件１〕低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%が低下、〔条件２〕高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%が正常の２条件が成立する場合は、ＳＣＲ２２自体は正常であり、低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%の悪化は、ＤＯＣ１５やＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能の低下が要因と考えることができる。

劣化判定部４８は、上述の〔条件１〕，〔条件２〕に加え、〔条件３〕ＤＯＣ１５又はＤＰＦ１６の少なくとも一方のＨＣ浄化率（ＨＣ実発熱率）が低下する３条件が成立した場合は、ＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６を含む前段後処理装置１４のＮＯ₂生成性能を正常と判定する。一方、上述の〔条件１〕，〔条件２〕に加え、〔条件３〕ＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６の何れのＨＣ浄化率（ＨＣ実発熱率）も低下する３条件が成立した場合は、ＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能を劣化と判定する。以下、詳細な判定の組み合わせを表１に示す。

次に、図６に基づいて、本実施形態の診断装置による制御フローを説明する。

ステップ（以下、ステップを単にＳと記載する）１００では、ＳＣＲ入口温度センサ２３で取得されるＳＣＲ入口排気温度Ｔ_{SCR_in}が低温判定温度と高温判定温度（例えば、１８０〜２８０度）の範囲内にあるか否かが判定される。ＳＣＲ入口排気温度Ｔ_{SCR_in}が低温判定温度と高温判定温度（例えば、１８０〜２８０度）の範囲内にある場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１１０に進み、低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%が演算される。

Ｓ１２０では、ＳＣＲ２２の低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%が低下しているか否かが判定される。低下していない場合（Ｎｏ）は、排気中のＮＯに対するＮＯ₂量が多いと推定されるため、Ｓ２５０でＤＯＣ１５又はＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能を正常と判定してリターンされる。一方、低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%が低下している場合は、Ｓ１３０に進み、ＤＰＦ１６の強制再生が開始されたか否かが判定される。

ＤＰＦ１６の強制再生が開始された場合は、Ｓ１４０で、ＳＣＲ入口排気温度Ｔ_{SCR_in}が高温判定温度（例えば、２８０度）を超えたか否かが判定される。高温判定温度（例えば、２８０度）を超えた場合（Ｙｅｓ）は、Ｓ１５０に進み、ＳＣＲ２２の高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%が演算される。

Ｓ１６０では、高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%が低下しているか否かが判定される。低下している場合（Ｙｅｓ）は、低温側浄化率及び高温側浄化率共に低下しており、ＳＣＲ２２の劣化等が推定されるため、Ｓ１７０でＳＣＲ２２を異常と判定してリターンされる。

一方、高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%が低下していない場合（Ｎｏ）は、〔条件１〕低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%が低下、〔条件２〕高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%が正常の２条件が成立するため、ＤＯＣ１５やＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能を判定すべくＳ２００に進む。

Ｓ２００では、ＤＯＣ１５のＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}が演算され、Ｓ２１０では、ＤＯＣ１５のＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}（ＨＣ浄化率）が低下しているか否かが判定される。低下していない場合（Ｎｏ）は、Ｓ２５０でＤＯＣ１５のＮＯ₂生成性能を正常と判定してリターンされる。一方、低下している場合（Ｙｅｓ）は、下流側のＤＰＦ１６にＨＣがスリップしている状態のため、Ｓ２２０に進んでＤＰＦ１６のＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}が演算される。

Ｓ２３０では、ＤＰＦ１６のＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}（ＨＣ浄化率）が低下しているか否かが判定される。低下していない場合（Ｎｏ）は、Ｓ２５０でＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能を正常と判定してリターンされる。一方、低下している場合（Ｙｅｓ）は、〔条件１〕，〔条件２〕に加え、〔条件３〕ＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６の何れのＨＣ浄化率（ＨＣ実発熱率）も低下する３条件が成立するため、Ｓ２４０でＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能を劣化と判定してリターンされる。

次に、本実施形態に係る診断装置による作用効果を説明する。

ＤＯＣ１５やＤＰＦ１６の下流側のＮＯ₂値をＮＯｘセンサで直接的に検出することは困難なため、ＮＯｘセンサのセンサ値から排気中のＮＯ₂値を推定する従来の手法では、運転状態の変化の影響を受けて劣化診断を高精度に行えない可能性がある。

これに対し、本実施形態の診断装置では、ＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能は、〔条件１〕ＳＣＲ２２の低温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_LOW%、〔条件２〕ＳＣＲ２２の高温側ＮＯｘ浄化率ＮＣ_HIGH%、〔条件３〕ＤＯＣ１５のＨＣ実発熱率Ｃ_{DOC_act%}又はＤＰＦ１６のＨＣ実発熱率Ｃ_{DPF_act%}の３条件に基づいて診断される。すなわち、ＤＯＣ１５やＤＰＦ１６を通過した排気中のＮＯ₂値を推定することなく、ＤＯＣ１５やＤＰＦ１６の劣化診断を行えるように構成されている。

したがって、本実施形態の診断装置によれば、運転状態の変化の影響等を受けることなく、ＤＯＣ１５やＤＰＦ１６のＮＯ₂生成性能を高精度に診断することができる。

また、本実施形態の診断装置では、ＤＯＣ１５及びＤＰＦ１６のＨＣ浄化率は、上流側及び下流側の排気エネルギ差に外気への熱損失量を加算して得られるＨＣ実発熱量に基づいて判定される。すなわち、上流側及び下流側の排気エネルギ差にのみ基づいてＨＣ発熱量を演算する構成に比べ、外気への熱損失量を考慮することで、ＨＣ発熱率を高精度に演算できるように構成されている。

したがって、本実施形態の診断装置によれば、ＤＯＣ１５やＤＰＦ１６のＨＣ発熱率の低下を高精度に判定することが可能となり、ＮＯ₂生成性能の劣化を確実に診断することができる。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、適宜変形して実施することが可能である。

例えば、劣化診断はＤＰＦ１６の強制再生時に行われるものとして説明したが、強制再生時以外に行ってもよい。この場合は、排気管内噴射（又は、ポスト噴射）をＤＰＦ１６のＰＭ堆積量に関係なく実行すればよい。また、ＤＰＦ１６の劣化診断は、ＤＯＣ１５からＨＣがスリップしている場合に行われるものとして説明したが、ＤＯＣ１５が劣化していない場合も行うように構成してもよい。この場合は、排気管内噴射（又は、ポスト噴射）の噴射量を増加させて、ＤＯＣ１５からＨＣを意図的にスリップさせればよい。また、エンジン１０はディーゼルエンジンに限定されず、ガソリンエンジン等の他の内燃機関にも広く適用することが可能である。

１０エンジン
１３排気管内噴射装置
１４前段後処理装置
１４ａ触媒ケース
１５ＤＯＣ（酸化触媒）
１６ＤＰＦ（フィルタ）
２０後段後処理装置
２２ＳＣＲ（選択的還元触媒）
４０ＥＣＵ
４１ＮＯｘ浄化率演算部（第１浄化率演算手段）
４２ＤＯＣ発熱率演算部（第２浄化率演算手段）
４３ＨＣスリップ量演算部
４４ＤＰＦ発熱率演算部（第３浄化率演算手段）
４５ＳＣＲ浄化率判定部（判定手段）
４６ＤＯＣ浄化率判定部（判定手段）
４７ＤＰＦ浄化率判定部（判定手段）
４８劣化判定部（判定手段）

Claims

内燃機関の排気系に設けられて、少なくとも排気中の炭化水素及び一酸化窒素を酸化する酸化触媒と、
前記酸化触媒の排気下流側に設けられて、排気中に含まれる粒子状物質を捕集すると共に、少なくとも炭化水素及び一酸化窒素を酸化するフィルタと、
前記フィルタの排気下流側に設けられて、アンモニアを還元剤として排気中に含まれるＮＯｘを還元浄化する選択的還元触媒と、
前記選択的還元触媒の上流側及び下流側のＮＯｘ値に基づいて、前記選択的還元触媒の触媒温度が所定の低温域にある時に低温側ＮＯｘ浄化率を演算すると共に、前記選択的還元触媒の触媒温度が所定の高温域にある時に高温側ＮＯｘ浄化率を演算する第１浄化率演算手段と、
少なくとも前記酸化触媒の上流側及び下流側の排気熱量差に基づいて、前記酸化触媒の炭化水素浄化率を演算する第２浄化率演算手段と、
少なくとも前記フィルタの上流側及び下流側の排気熱量差に基づいて、前記フィルタの炭化水素浄化率を演算する第３浄化率演算手段と、
演算された前記低温側ＮＯｘ浄化率、前記高温側ＮＯｘ浄化率、前記酸化触媒の炭化水素浄化率及び、前記フィルタの炭化水素浄化率に基づいて、前記酸化触媒及び前記フィルタの劣化を判定する判定手段と、を備える
ことを特徴とする診断装置。
前記判定手段は、前記低温側ＮＯｘ浄化率が低下、前記高温側ＮＯｘ浄化率が正常、且つ、前記酸化触媒又は前記フィルタの少なくとも一方の炭化水素浄化率が正常な場合は、二酸化窒素の生成性能を正常と判定する
請求項１に記載の診断装置。
前記第２浄化率演算手段は、前記酸化触媒の上流側及び下流側の排気熱量差に、前記酸化触媒から外気に放出される熱損失量を加算して得られる炭化水素発熱量に基づいて、当該酸化触媒の炭化水素浄化率を演算する
請求項１又は２に記載の診断装置。
前記第２浄化率演算手段は、自然対流の熱伝達率を含む第１モデル式及び、強制対流の熱伝達率を含む第２モデル式に基づいて前記熱損失量を演算する
請求項３に記載の診断装置。
前記第３浄化率演算手段は、前記フィルタの上流側及び下流側の排気熱量差に、前記フィルタから外気に放出される熱損失量を加算して得られる炭化水素発熱量に基づいて、当該フィルタの炭化水素浄化率を演算する
請求項１から４の何れか一項に記載の診断装置。
前記第３浄化率演算手段は、自然対流の熱伝達率を含む第３モデル式及び、強制対流の熱伝達率を含む第４モデル式に基づいて前記熱損失量を演算する
請求項５に記載の診断装置。