JP7205217B2 - 排気浄化装置の劣化診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、排気浄化装置の劣化原因を診断する劣化診断装置に関する。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は、排気空燃比が希薄（リーン）のときに排気中のＮＯｘ（窒素酸化物）を吸収し、排気空燃比が過濃（リッチ）のときに吸蔵したＮＯｘを放出還元するＮＯｘ触媒である。特許文献１には、ＮＯｘ吸蔵触媒の熱劣化の影響を考慮して、硫黄成分を離脱するための制御の開始タイミングを適切に設定でき、排気浄化性能の悪化や燃費悪化を抑制可能な内燃機関の排気浄化装置が記載されている。

特開２００５－１１３７６３号公報

本発明は、脱硫制御を極力行わずに排気浄化装置の劣化診断を行うことを目的とする。

本発明の一態様に係る排気浄化装置の劣化診断装置は、上記課題を解決するため、内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置され、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する排気浄化装置を通過した排ガスに含まれるＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段から、前記低性能部分の破綻が検出されるまでの第１の時間と、前記ベース部分の破綻が検出されるまでの第２の時間とを取得し、前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間に基づいて前記排気浄化装置の劣化原因の診断を行い、前記差分時間が、前記排気浄化装置の使用開始直後における前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間である差分時間初期値に比べて所定以上減少している場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が熱劣化であると診断する。
本発明の別の態様に係る排気浄化装置の劣化診断装置は、上記課題を解決するため、内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置され、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する排気浄化装置を通過した排ガスに含まれるＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段から、前記低性能部分の破綻が検出されるまでの第１の時間と、前記ベース部分の破綻が検出されるまでの第２の時間とを取得し、前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間に基づいて前記排気浄化装置の劣化原因の診断を行い、前記差分時間が、前記排気浄化装置の使用開始直後における前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間である差分時間初期値以上の場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が硫黄被毒であると診断する。

本発明によれば、脱硫制御を極力行わずに排気浄化装置の劣化診断を行うことができる。

内燃機関の排気管等の排ガス通路に設置された排気浄化装置を示す説明図である。 排気浄化装置を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を示す特性図である。 排気浄化装置を通過した排ガス中のＮＯｘ濃度を示す別の特性図である。 劣化診断処理の流れを示すフローチャートである。 劣化診断処理の流れを示す、別のフローチャートである。 劣化診断処理の流れを示す、さらに別のフローチャートである。

以下、本発明を図示の実施の形態に基づいて説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施の形態によって限定されるものではない。

図１に、内燃機関の排気管等の排ガス通路に設置された排気浄化装置１を示す。排気管等の排ガス通路２には、途中に拡径された拡大部３が設けられており、この拡大部３に略円柱形状の排気浄化装置１が設けられている。排気浄化装置１は、その軸方向が排ガス流れ方向と平行になるように配置されている。

排気浄化装置１は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以後、ＮＯｘ吸蔵触媒とも呼ぶ）４を用いたもので、このＮＯｘ吸蔵触媒４の、排ガス流れに直交する面（端面）のうち一部の入口から出口にかけて、単位容積あたりの飽和吸蔵量が相対的に低い別のＮＯｘ吸蔵触媒（低性能ＮＯｘ吸蔵触媒）５に置き換えた構造とする。大部分はベースのＮＯｘ吸蔵触媒４とする。６は、排気浄化装置１の排ガス流れ方向後方に設けられたＮＯｘ量検出手段としてのＮＯｘセンサである。前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４は、複数のセルから構成されるハニカム構造体で構成され、一部の集合セルの単位容積あたりのＮＯｘ飽和吸蔵量が、その他のセルより小さくなるようにして低性能部分５を構成し、性能破綻後のＮＯｘ濃度がＮＯｘ量検出手段６の検出下限以上になるように低性能部分５の吸蔵能力を設定してある。

このように、排気浄化装置１は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する。

ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４の一部に低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５を設ける方法としては、以下の方法が考えられる。
（ｉ）ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４を軸方向に沿って一定の径で円筒状に、くり抜くなどして切除した箇所に、くり抜いたものと同形状の低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５を設置する（図１参照）。この低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５の径は必要に応じて設定すればよい。
（ｉｉ）また、低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５は、ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４よりもＮＯｘ吸蔵材や貴金属の担持量を低くすることで得られる。
（ｉｉｉ）あるいは、ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４を800～900℃程度の高温で処理することで低性能ＮＯｘ吸蔵触媒が得られる。

劣化していない、使用開始直後の排気浄化装置１を通過したリーン排ガス中のＮＯｘ濃度は、図２の波形Ｘで示すように変化する。ｔ＝ｔ１ｉにおいて、ＮＯｘ濃度の増加がＮＯｘセンサにより検出される。この濃度増加は、排気浄化装置１の低性能部分の性能破綻によるものである。ＮＯｘ濃度が濃度Ｃ１に達すると増加が止まり、その後は暫くＮＯｘ濃度が濃度Ｃ１のまま一定である。そして、ｔ＝ｔ２ｉにおいて、それまで濃度Ｃ１で一定であったＮＯｘ濃度の増加がＮＯｘセンサにより検出される。この濃度増加は、排気浄化装置１のベース部分の性能破綻によるものである。ＮＯｘ濃度が濃度Ｃ２に達すると増加が止まり、その後はＮＯｘ濃度が濃度Ｃ２のまま一定である。

図２及び後述する図３における時間的な起点は、リーン運転開始時点である。その例として、ＮＯｘパージや脱硫制御の際に行われるリッチ運転（混合気がリッチな状態における運転）からリーン運転（混合気がリーンな状態における運転）に切り替わった時点が挙げられる。また、ストイキ運転（空燃比が理論空燃比（ストイキオメトリー）である状態における運転）からリーン運転に切り替わった時点もリーン運転開始時点の一つである。

このように、排気浄化装置１においては、低性能部分がまず破綻し、その後、ベース部分が破綻するという、二段階の破綻が起こる。つまりベース部分が破綻する前に触媒下流側のＮＯｘセンサ６でＮＯｘを検出できる。したがって例えば、リッチパージを開始すべき最適なタイミングであるt=tcで低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５が破綻するように調整すれば、電子制御ユニットECUはＮＯｘセンサ６によってリッチパージを開始すべき最適なタイミングを正確に把握出来る。

なお低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５が触媒全体の端面面積に占める割合Ｒと、低性能ＮＯｘ吸蔵触媒５の単位容積あたりの飽和吸蔵量Qによって、1回目の破綻後のＮＯｘ濃度C1と、1回目の破綻が検出されるまでの時間（第１の時間）t1を決めることが出来る。

低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５が触媒全体の端面面積に占める割合Ｒについて具体的に記述する。C1はＲと入りガスのＮＯｘ濃度の積に比例する。C1はＮＯｘセンサ６の検出下限Ｌ２をわずかに上回る程度に設定されるべきであり、ＮＯｘセンサ６の検出性能によって決定されるべきであるが、一般的には50～60ppm程度が適当である。入りガスのＮＯｘ濃度Ｌ１はガソリンエンジンかディーゼルエンジンかによっても大きく異なり、またエンジンの運転状態によっても異なるため、対象とするエンジンまたは運転状態によるが、一般的にガソリンエンジンの場合1000ppm程度、ディーセルエンジンの場合500ppm程度を想定することが適当である。したがって一般的にＲは、ガソリンエンジンの場合5～6%程度、ディーゼルエンジンの場合10～12%程度が適当となる。ただし前述したとおり、ＮＯｘセンサ６の検出性能や対象とするエンジンの排ガス性状等に応じてＲは決定されなければならないので、この範囲に限られない。

次に低性能ＮＯｘ吸蔵触媒を用いた低性能部分５の単位容積あたりの飽和吸蔵量Qついて具体的に記述する。t1はQに、2回目の破綻が検出されるまでの時間（第２の時間）ｔ2はベースのＮＯｘ吸蔵触媒４の単位容積あたりの飽和吸蔵量に、それぞれ比例する。リッチパージ初期の未浄化ＮＯｘスパイク状排出量を抑えつつ、リッチパージ頻度を減らし燃費悪化を最小限とするには、t1はt2の8～9割程度とすることが適当である。なおQを小さくするほどＮＯｘ排出量を減らすことができ、Qを大きくするほど燃費悪化を減らすことができる。したがってQは、ベースのＮＯｘ吸蔵触媒４の性能や排ガス規制値等に応じて決定されなければならない。

実際の車載状態において、劣化による触媒の性能低下は避けられない。さらに、何らかの理由によって、通常使用における性能低下の程度を超えて大幅に性能が低下することも有る。このように想定以上に触媒の性能低下が進行した場合であっても、排ガスが未浄化のまま環境中に排出されることを避けなければならない。このためＯＢＤ（On-Board Diagnostics、車載故障診断）システムは触媒の劣化状態を診断し、必要であれば運転者に触媒の修理・交換を促している。ＮＯｘ吸蔵触媒においても車載状態での劣化診断は必要である。例えば前回ＮＯｘパージから吸蔵性能の破綻が検出されるまでに要した時間（破綻時間）ｔをモニタし、ｔが所定の閾値以下となったことを以てＮＯｘ吸蔵触媒の性能が低下したと判定することが出来る。

ＮＯｘ吸蔵触媒の性能低下の原因は主に、高温に曝されることによる熱劣化と、燃料やエンジンオイルに含まれる硫黄分が付着することによる硫黄被毒の２種類が有る。熱劣化は不可逆劣化であり性能を回復させることは不可能である。そのため、触媒が熱劣化した場合、ＯＢＤシステムはＭＩＬ（Malfunction Indication Lamp、警告ランプ）点灯等により速やかに運転者に通知し、触媒の交換を促さなければならない。その一方で、硫黄被毒は可逆劣化であり、触媒に付着した硫黄を取り除けば浄化性能は回復する。したがってＯＢＤシステムは、単にＮＯｘ吸蔵触媒の性能低下を検出するのみならず、性能低下の主たる原因が熱劣化か（つまり回復不能か）、硫黄被毒か（つまり回復可能か）を正しく判別する必要が有る。

正しく判別できない場合の不具合を例示すると、実際には硫黄被毒が主たる原因であるのに、熱劣化が主たる原因であると誤判別する場合がある。このような場合、本来は不要な触媒交換を行うことになる。また、熱劣化が主たる原因であるのに硫黄被毒が主たる原因と誤判別した場合、脱硫制御を行うことになる。しかし、脱硫制御が行われても触媒性能は回復しないため、環境中にＮＯｘを排出し続けることになる。また、脱硫制御は、燃料を余剰に消費することによって、高温リッチの排ガスを触媒に供給する処理である。脱硫制御を行うと燃費は悪化し、エンジンの騒音や振動も増える。かかる脱硫制御が高頻度で繰り返し行われると、燃費が著しく悪化するとともに、騒音や振動による不快感を運転者や周囲の環境に長時間与え続けることになる。

ここで、図２に戻ると、低性能部分の破綻が検出されるまでの第１の時間ｔ１ｉと、ベース部分の破綻が検出されるまでの第２の時間ｔ２ｉとの差分時間をΔｔｉとする（Δｔｉ＝ｔ２ｉ－ｔ１ｉ）。ＮＯｘ吸蔵触媒の劣化の進行によって触媒性能が低下すると、第１の時間ｔ１及び第２の時間ｔ２はそれぞれ、初期の値ｔ１ｉ及びｔ２ｉよりも短くなっていく。ただし、性能低下の主たる原因が熱劣化であるか硫黄被毒であるかによって、ｔ１とｔ２はそれぞれ異なった影響を受けるため、差分時間Δｔ（＝ｔ２－ｔ１）の変化の仕方が異なる。後述するように、主たる原因が熱劣化の場合Δｔは初期よりも小さくなる一方、主たる原因が硫黄被毒の場合Δｔは初期よりも大きくなる。つまりΔｔをモニタしておき、Δｔがその初期値より小さくなれば性能低下の主たる原因は熱劣化であると診断することができる。他方、Δｔがその初期値より大きくなれば性能低下の主たる原因は硫黄被毒であると診断することができる。

図２の波形Ｙは、排気浄化装置１の性能が低下し、その性能低下の主たる原因が硫黄被毒である場合のＮＯｘ濃度の時間的変化を示している。波形Ｙにおいて、ｔ１ａは１回目の破綻が検出されるまでの時間であり、ｔ２ａは２回目の破綻が検出されるまでの時間である。硫黄被毒は、排ガス流れ方向の触媒両端部のうち、上流に位置する端部から下流に位置する端部に向かって徐々に進行する。低性能部分は、ベース部分に比べて硫黄被毒が早く進む。１回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ１は、劣化前がｔ１ｉであるのに対し劣化後がｔ１ａと、劣化前に比べて短くなる。２回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ２は、劣化前がｔ２ｉであるのに対し劣化後がｔ２ａと、劣化前に比べて短くなる。１回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量は、２回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量よりも大きい。そのため、差分時間Δｔは、劣化前がΔｔｉであるのに対し劣化後がΔｔａ（＞Δｔｉ）と劣化前に比べて長くなる。

図３の符号Ｚの波形は、排気浄化装置１の性能が低下し、その性能低下の主たる原因が熱劣化である場合のＮＯｘ濃度の時間的変化を示している。波形Ｚにおいて、ｔ１ｂは１回目の破綻が検出されるまでの時間であり、ｔ２ｂは２回目の破綻が検出されるまでの時間である。高活性であるほど反応熱による発熱が大きいため、性能が高いほど熱劣化の程度は大きくなる。そのため、高性能であるベース部分の性能低下の方が、低性能部分の性能低下よりも大きい。熱劣化が進行すると、最終的には、ベース部分の性能と低性能部分の性能とが同程度になる。１回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ１は、劣化前がｔ１ｉであるのに対し劣化後がｔ１ｂと、劣化前に比べて短くなる。２回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ２は、劣化前がｔ２ｉであるのに対し劣化後がｔ２ｂと、劣化前に比べて短くなる。１回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量は、２回目の破綻が検出されるまでの時間における劣化前後の変化量よりも小さい。そのため、差分時間Δｔは、劣化前がΔｔｉであるのに対し劣化後がΔｔｂ（＜Δｔｉ）と劣化前に比べて短くなる。

このように、硫黄被毒が進むと差分時間Δｔは当初に比べて大きくなる一方、熱劣化が進むと差分時間Δｔは当初に比べて小さくなる。差分時間の変化の仕方から、性能低下の主たる原因が硫黄被毒であるのか、熱劣化であるのかを判別することができる。

［第１実施形態］
図４に、ベース部分と低性能成分とを有する排気浄化装置１を対象とした劣化診断方法のフローを示す。本方法は、ＮＯｘ吸蔵触媒の性能低下の主たる原因が熱劣化であるのか硫黄被毒であるかを、精度良く、かつ脱硫制御を極力行わずに判別するものである。

本方法は、劣化診断装置（不図示）により行われる。この劣化診断装置は、そのハードウェア構成として、劣化診断の機能を実行するように動作可能なプログラム及びデータを格納するメモリと、演算処理を行うプロセッサと、他の装置とのインタフェースとを備えている。劣化診断装置は、このインタフェースにより、ＮＯｘセンサ及び触媒温度を計測する温度センサといった他の装置と通信する。劣化診断装置を電子制御ユニット（ＥＣＵ）内に組み込むことも可能である。

まずステップＳ１において、劣化診断装置は、診断条件が成立しているかどうかを判定する。例えば、内燃機関の暖機が完了しており、かつ周囲の環境が特殊な環境ではないことを診断条件とすることができる。内燃機関の暖機については、例えばエンジン水温から判断可能である。周囲の環境については、吸気温度や大気圧、またはＧＰＳの位置情報から判断可能である。劣化診断が行われる環境としては、外気温が０℃から３０℃かつ標高７００ｍ以下であることが望ましい。外気温が－７℃未満又は３５℃超、あるいは標高１３００ｍ超等の特殊な環境条件では、劣化診断の実行を避けるべきである。

ステップＳ２において、劣化診断装置は、排気浄化装置１の１回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ１をＮＯｘセンサから取得し、その時間ｔ１を適合値ｔ１ｄと比較する。ｔ１がｔ１ｄを下回る場合は、排気浄化装置１が劣化しているとして、劣化原因を見いだすべくステップＳ４が行われる。その一方で、ｔ１がｔ１ｄ以上であれば、排気浄化装置１は劣化していないとして、本処理は終了する。

適合値ｔ１ｄは、排気浄化装置１が劣化しているかどうかの判断基準となる値であり、仕向地の排ガスや燃費の規制等に適合させて決定される。ただし、適合値ｔ１ｄは少なくとも初期値ｔ１ｉの３～４割以上である必要がある。時間ｔ１が小さくなるほど、ＮＯｘパージの頻度が増え燃費が悪化していき、特に時間ｔ１が初期値ｔ１ｉの３割程度となるとリーン運転による燃費メリットがほぼ無くなるためである。排ガスや燃費の規制が厳しいほど、適合値ｔ１ｄの値を大きくすればよい。

ステップＳ３において、劣化診断装置は、排気浄化装置１の２回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ２をＮＯｘセンサから取得する。同ステップにおいてさらに、劣化診断装置は２回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ２から１回目の破綻が検出されるまでの時間ｔ１を差し引くことより得られる差分時間Δｔを取得する。

ステップＳ４において、劣化診断装置は、差分時間Δｔを差分時間初期値Δｔｉと比較する。ΔｔがΔｔｉを下回る場合はステップＳ５が行われ、ΔｔがΔｔｉ以上であればステップＳ６が行われる。あるいは、ΔｔがΔｔｉの２～４割以下の場合にステップＳ５が行われることとしてもよい。いずれにしても、ΔｔがΔｔｉに比べて所定以上減少している場合にステップＳ５が行われる。

差分時間初期値Δｔｉは、事前に取得され、劣化診断装置内のメモリに保存されている。差分時間初期値Δｔｉの取得は、当該内燃機関が搭載された車両の使用開始からの累積走行距離が所定値に達するまでの間に行われる。あるいは、開発時のデータを基に、設計時に所定の差分時間初期値Δｔｉを指定しておいても良い。なお、Δｔｉの値は、触媒容量や排ガス適合などの設計要件によって変わる。ガソリンエンジンで２０秒から４０秒程度、ディーゼルエンジンでは６０秒から１２０秒程度となることが多い。

上記累積走行距離の所定値は、特に仕向地の燃料中の硫黄濃度に応じて設定され、硫黄濃度が高いほど小さくすべきである。また、この所定値が小さいほど硫黄被毒の影響を受けないため望ましい。例としては、日本、北米、欧州のような地域では燃料中の硫黄濃度が１０ｐｐｍ以下程度で、脱硫制御は１０００ｋｍ走行毎に１回行われる程度であるため、所定値は２００ｋｍ程度になる。

ステップＳ５において、劣化診断装置は、性能低下の主たる原因が熱劣化であるとして、当該内燃機関が搭載された車両に設けられたＭＩＬ（警告ランプ）を点灯させる。その後、本処理は終了する。

ステップＳ６では、劣化診断装置は、性能低下の主たる原因が硫黄被毒であるとして、脱硫制御を行う。その後、本処理は終了する。

本実施形態において、差分時間Δｔは、排気浄化装置１の下流にあるＮＯｘセンサ６の出力から求められる数値ｔ１及びｔ２のみから直接的に算出される値であるため、従来のモデルに基づく予測値によって判別する場合よりも判別精度が高く、演算量も少なくて済む。また、燃費の悪化や騒音、振動をもたらす脱硫制御は、ステップＳ６において、硫黄被毒が原因であると診断された後に行われるのみであって、診断そのものを行うに際しては不要である。つまり、脱硫制御を行わずに排気浄化装置の劣化診断を行うことができる。

一般的に行われる劣化診断の方法として酸素吸蔵量に基づいた劣化診断がある。このような酸素吸蔵量を演算する際、内燃機関の燃焼状態から得られる酸素供給量から酸素吸蔵量を積算する。これに対し、本実施形態では差分時間を参照することにより、演算負荷を小さくすることができる。

［第２実施形態］
図５に、劣化診断の第２実施形態を示す。本実施形態は、脱硫制御による回復の程度から性能低下の主たる原因を判別する技術を組み合わせることによりさらに判別精度を高めるものである。同図に示すように、本実施形態では、図４の各ステップに加えてステップＳ１１～Ｓ１３及びステップＳ１４～Ｓ１６が行われる。

ステップＳ４にてΔｔがΔｔｉを下回ると判定された場合、ステップＳ１１にて劣化診断装置は脱硫制御を実行する。次にステップＳ１２にて、劣化診断装置はステップＳ３と同様のやり方で、第１の時間と第２の時間と差分時間Δｔとを再び取得する。ステップＳ１３にて、劣化診断装置はステップＳ１２にて得られた差分時間（脱硫制御実行後に得られた差分時間）Δｔを、ステップＳ３にて得られた差分時間（脱硫制御実行前に得られた差分時間）Δｔと比較する。前者が後者以下の場合はステップＳ５が行われ、前者が後者を上回る場合に本処理は終了する。

ステップＳ４にてΔｔがΔｔｉ以上であると判定された場合、ステップＳ１４にて劣化診断装置は脱硫制御を実行する。次にステップＳ１５にて、劣化診断装置はステップＳ３と同様のやり方で、第１の時間と第２の時間と差分時間Δｔとを再び取得する。ステップＳ１６にて、劣化診断装置はステップＳ１５にて得られた差分時間（脱硫制御実行後に得られた差分時間）Δｔを、ステップＳ３にて得られた差分時間（脱硫制御実行前に得られた差分時間）Δｔと比較する。前者が後者以下の場合に本処理は終了し、前者が後者を上回る場合はステップＳ６が行われる。

このように、差分時間がその初期値より小さくなっていると判定された後に脱硫制御を行い、その脱硫制御後に取得した差分時間がなおも初期値以下の場合に、高い確率で性能低下の主たる原因は熱劣化であると判別することができる。あるいは、差分時間がその初期値より大きくなっていると判定された後に脱硫制御を行い、その脱硫制御後に取得した差分時間がなおも初期値より大きい場合に、高い確率で性能低下の主たる原因は硫黄被毒であると判別することができる。

また、本実施形態においては診断に際して脱硫制御が行われるものの、この脱硫制御は第１の時間ｔ１が適合値ｔ１ｄを下回る場合のみ行われる。そのため、脱硫制御の実行が極力抑えられる。

脱硫制御後に取得し直した差分時間を確認することにより、好適な排気浄化装置の劣化診断が可能である。特に硫黄被毒についての劣化診断性能を向上させることが可能である。さらに、排気触媒の使用可能期間をより長期化することが可能である。

［第３実施形態］
ＮＯｘ吸蔵触媒の温度をモニタすることによっても、熱劣化と硫黄被毒劣化の判別が可能である。触媒温度と触媒入口位置排ガス温度の差がある閾値以下であれば熱劣化、差がある閾値以上であれば硫黄被毒と判別する。図６に示すように、本実施形態においては、図４に示した各ステップに加えてステップＳ２１が行われる。ステップＳ４にてΔｔが初期値を下回ると判断された場合、ステップＳ２１が行われる。同ステップでは、触媒温度と、触媒に流入する排ガス温度と所定の加算値α（単位：℃）との和とが比較され、前者が後者を下回ると判断された場合はステップＳ５が行われる。さもなければ、ステップＳ６が行われる。加算値αは１０～３０程度が好ましく、１０～２０がより好ましい。

高温の排ガスに曝された場合は貴金属活性種とＮＯｘ吸蔵材の双方が劣化する。一方硫黄を含むガスに曝された場合は貴金属活性種の劣化はＮＯｘ吸蔵材に比べると軽微であるため、貴金属活性種は浄化反応により発熱する。したがって、触媒温度が触媒入口位置排ガス温度を上回る場合は、貴金属活性種の劣化は軽微であるとして、硫黄被毒が原因と診断できる。なお、この場合、ＮＯｘ吸蔵触媒は、低性能部分のない通常のものであっても良い。

差分時間が所定以下である場合であっても吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が高温排ガスに曝されることにより貴金属活性種とＮＯｘ吸蔵材が共に劣化する。高温ガスの場合、硫黄被毒による劣化量が貴金属活性種の劣化量は小さいため、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の活性エネルギーによる発熱状態を差分時間とともに判定することにより、好適な排気浄化装置の劣化診断が可能である。

ＮＯｘ吸蔵触媒が電気加熱触媒の場合は、加熱時の抵抗値をモニタすることによっても熱劣化と硫黄被毒劣化の判別が可能である。抵抗値がある閾値以上であれば熱劣化、抵抗値がある閾値以下であれば硫黄被毒と判別する。電気加熱触媒のハニカム基材はＳＵＳ製で、これに通電することで発熱させる。熱劣化によりハニカム基材の酸化が進行した場合、ハニカム基材のうち導電部分が減肉し通電時の抵抗が増大するためである。

［その他］
低性能部分は、ＮＯｘ吸蔵材又は貴金属の担持量が前記ベース部分よりも少ない吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がコートされた部分とすることができる。あるいは、低性能部分は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における単位容積あたりの総表面積又は比表面積が前記ベース部分よりも小さいものとすることができる。このように、ベース部分と低性能部分とで触媒性能を異ならせることにより、第１の時間と第２の時間との差分時間をより明確に検出することが可能となる。これにより、熱劣化又は硫黄被毒であるかをより正確に判別することが可能となり、好適な排気浄化装置の劣化診断が可能である。

これまでに述べたとおり、差分時間Δｔの変化の仕方によって、ＮＯｘ吸蔵触媒の性能低下の主たる原因が熱劣化であるか硫黄被毒であるかを判別することが出来る。以下に述べる各触媒構成についても同様の判別方法が適用できる。

［触媒構成その１］
触媒構成として、低性能部分は、ベース部分よりもＮＯｘ吸蔵材もしくは貴金属の担持量を少なくしたＮＯｘ吸蔵触媒がコートされたものが考えられる。
まず、ベース部分よりもＮＯｘ吸蔵材の担持量を少なくすることで低性能部分を構成する場合について説明する。

主たる原因が熱劣化の場合、高温の排ガスに曝されることにより、ＮＯｘ吸蔵材、貴金属活性種はそれぞれシンタリングし、それぞれの表面積が減少することでＮＯｘ吸蔵性能が低下する。このとき流入する排ガスの温度は低性能部分とベース部分で同等のため、表面積［ｍ^２／ｇ］の低下率は両者でほぼ同等となる。つまり単位容積あたりのＮＯｘ吸蔵材の総表面積［ｍ^２／ｍ^３］の初期値が大きいベース部分ほど性能低下の速度は速く、ｔ２の減少速度はｔ１よりも速い。結果としてΔｔは熱劣化の進行とともにその初期値よりも小さくなっていく。

主たる原因が硫黄被毒の場合、硫黄がＮＯｘ吸蔵材に吸着し、ＮＯｘの吸蔵を妨げることでＮＯｘ吸蔵性能が低下する。硫黄はＮＯｘ吸蔵材に対して非常に吸着しやすいため、通常、硫黄被毒はＮＯｘ吸蔵触媒の上流側から下流側に向けて進展していく。
このとき硫黄被毒していない下流側の吸蔵性能を触媒全体の吸蔵性能とみなすことができ、硫黄被毒していない下流側部分の排ガス流れ方向の長さが短いほど吸蔵性能が低い。低性能部分とベース部分には、単位断面積あたり同等の量の硫黄が流入してくるため、吸蔵材の少ない低性能部分ほど硫黄被毒が下流側に進展する速度は速く、つまり低性能部分の方が性能低下の速度が速く、つまりｔ１の減少速度はｔ２よりも速い。さらに硫黄被毒の初期、硫黄被毒していない下流側の長さが十分に有るため、一定期間ではあるが性能の低下が無い期間が有り、この性能の低下が無い期間はベース部分の方が長い。結果としてΔｔは硫黄被毒の進行とともにその初期値より大きくなっていく。

［触媒構成その２］
次に、ベース部分よりも貴金属の担持量を少なくすることで低性能部分を作り出す場合について説明する。
主たる原因が熱劣化の場合、高温の排ガスに曝されることにより、ＮＯｘ吸蔵材、貴金属活性種はそれぞれシンタリングし、それぞれの表面積が減少することでＮＯｘ吸蔵性能が低下する。このとき流入する排ガスの温度は低性能部分とベース部分で同等のため、表面積［ｍ^２／ｇ］の低下率は両者でほぼ同等となり、つまり単位容積あたりの貴金属活性種の総表面積［ｍ^２／ｍ^３］の初期値が大きいベース部分ほど性能低下の速度は速く、つまりｔ２の減少速度はｔ１よりも速い。結果として熱は熱劣化の進行とともにその初期値よりも小さくなっていく。結果としてΔｔは熱劣化の進行とともにその初期値よりも小さくなっていく。（この場合も図３と同様になる。）
主たる原因が硫黄被毒の場合、硫黄がＮＯｘ吸蔵材に吸着し、ＮＯｘの吸蔵を妨げることでＮＯｘ吸蔵性能が低下する。
ただしＮＯｘ吸蔵材に吸着した硫黄の一部はＮＯｘパージの際に脱離する。脱離量は排ガス中に水素（Ｈ２）が多く含まれるほど多く、高活性な触媒ほど水性シフト反応や転化反応により多くのＨ２を生成する。したがってベース部分ほどＮＯｘパージの際の硫黄の脱離量が多く、したがって硫黄被毒の進行は遅くなる。結果としてΔｔは硫黄被毒の進行とともにその初期値より大きくなっていく。（この場合も図２と同様になる。）

［触媒構成その３］
低性能部分が、ベース部分よりも高温で処理されたＮＯｘ吸蔵触媒がコートされている場合について説明する。
この場合、上記触媒構成その１の挙動と、上記触媒構成その２の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δｔの変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
前もって高温で処理することにより、ＮＯｘ吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積［ｍ^２／ｍ^３］を低下させている。逆に言うと、ＮＯｘ吸蔵材の単位容積あたりの総表面積［ｍ^２／ｍ^３］、貴金属活性種の単位容積あたりの総表面積［ｍ^２／ｍ^３］のいずれともベース部分の方が大きい。
したがって主たる原因が熱劣化の場合ｔ２の減少速度はｔ１よりも速いが、効果が重なり合うため、ｔ１とｔ２の減少速度の差（つまりΔｔの変化）は触媒構成その１及びその２よりも大きくなる。
また主たる原因が硫黄被毒の場合も同様でｔ１の減少速度はｔ２よりも速いが、効果が重なり合うため、ｔ１とｔ２の減少速度の差は触媒構成その１及びその２よりも大きくなる。

［触媒構成その４］
低性能部分が、ベース部分よりもＮＯｘ吸蔵触媒のコート量が少ない場合について説明する。
この場合、触媒構成その３と同様に、触媒構成その１及びその２の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δｔの変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
本構成ではＮＯｘ吸蔵材含むＮＯｘ吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、ＮＯｘ吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積［ｍ^２／ｍ^３］を低下させており、Δｔは同様の挙動を示す。

［触媒構成その５］
低性能部分において、ハニカム構造体の長さがベース部分よりも短い場合について説明する。
この場合、触媒構成その３と同様に、触媒構成その１の挙動と、触媒構成その２の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δｔの変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分でハニカム構造体の無い部分を、ハニカム構造体が有ると仮定してＮＯｘ吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積［ｍ^２／ｍ^３］を算出する。低性能部分においてＮＯｘ吸蔵材含むＮＯｘ吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、ＮＯｘ吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積［ｍ^２／ｍ^３］を低下させているとみなせる。つまり、触媒構成その４と同様とみなせ、したがってΔｔは同様の挙動を示す。

［触媒構成その６］
低性能部分が、ベース部分と同様の触媒層の上層にＮＯｘ吸蔵材を含まない拡散阻害層が追加で設けられている場合を説明する。
触媒構成その３と同様に、触媒構成その１の挙動と、触媒構成その２の挙動が強め合うかたちで複合することになるΔｔの変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分では、排ガスとＮＯｘ吸蔵材、および貴金属活性種との接触効率を拡散阻害層によって低下させている。あたかも、低性能部分においてＮＯｘ吸蔵材含むＮＯｘ吸蔵触媒のコート量自体を減らすことにより、ＮＯｘ吸蔵材および、貴金属活性種のそれぞれの単位容積あたりの総表面積［ｍ^２／ｍ^３］を低下させた状態であるようにみなすことが出来る。つまり触媒構成その４と同様とみなせ、したがってΔｔは同様の挙動を示す。

［触媒構成その７］
低性能部分が、ベース部分に対してハニカム構造体のセル密度が小さい場合について説明する。
この場合、触媒構成その３と同様に、触媒構成その１の挙動と、触媒構成その２の挙動が強め合うかたちで複合することになる。Δｔの変化がより強く現れるため、熱劣化と硫黄被毒の判別精度がさらに高い。
低性能部分は、単位容積あたりの幾何学的な表面積がベース部分よりも小さいため、排ガスとＮＯｘ吸蔵材、および貴金属活性種との接触効率がベース部分よりも低下している。触媒構成その５と同様とみなせ、したがってΔｔは同様の挙動を示す。

以上、本発明の実施の形態につき述べたが、本発明は既述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可能である。

１ 排気浄化装置
２ 排ガス通路
３ 拡大部
４ ＮＯｘ吸蔵触媒
５ 低性能ＮＯｘ吸蔵触媒（低性能部分）
６ ＮＯｘ量検出手段（ＮＯｘセンサ）

Claims (8)

1. 内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置され、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する排気浄化装置の劣化診断装置であって、
   前記排気浄化装置を通過した排ガスに含まれるＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段から、前記低性能部分の破綻が検出されるまでの第１の時間と、前記ベース部分の破綻が検出されるまでの第２の時間とを取得し、
   前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間に基づいて前記排気浄化装置の劣化原因の診断を行い、
   前記差分時間が、前記排気浄化装置の使用開始直後における前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間である差分時間初期値に比べて所定以上減少している場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が熱劣化であると診断する劣化診断装置。
2. 内燃機関から排出される排ガスの排気通路に配置され、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒により構成され、ベース部分と前記ベース部分よりも性能が低い低性能部分とを有する排気浄化装置の劣化診断装置であって、
   前記排気浄化装置を通過した排ガスに含まれるＮＯｘ量を検出するＮＯｘ量検出手段から、前記低性能部分の破綻が検出されるまでの第１の時間と、前記ベース部分の破綻が検出されるまでの第２の時間とを取得し、
   前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間に基づいて前記排気浄化装置の劣化原因の診断を行い、
   前記差分時間が、前記排気浄化装置の使用開始直後における前記第１の時間と前記第２の時間との差分時間である差分時間初期値以上の場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が硫黄被毒であると診断する劣化診断装置。
3. 前記差分時間が、前記差分時間初期値に比べて所定以上減少しており、かつ、前記排気浄化装置に対し脱硫制御を実行した後に再び取得される前記差分時間が脱硫制御実行前に取得された前記差分時間以下である場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が熱劣化であると診断する請求項１に記載の劣化診断装置。
4. 前記差分時間が、前記差分時間初期値に比べて所定以上増加しており、かつ、前記排気浄化装置に対し脱硫制御を実行した後に再び取得される前記差分時間が脱硫制御実行前に取得された前記差分時間を上回る場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が硫黄被毒であると診断する請求項２に記載の劣化診断装置。
5. 前記差分時間が、前記差分時間初期値に比べて所定以上減少しており、かつ、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排ガス温度と所定の加算値との和よりも低い場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が熱劣化であると診断する請求項１に記載の劣化診断装置。
6. 前記差分時間が、前記差分時間初期値に比べて所定以上増加しており、または、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の温度が前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に流入する排ガス温度と所定の加算値との和以上である場合に、前記排気浄化装置の劣化原因が硫黄被毒であると診断する請求項２に記載の劣化診断装置。
7. 前記低性能部分には、ＮＯｘ吸蔵材又は貴金属の担持量が前記ベース部分よりも少ない吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がコートされている、請求項１～６のいずれか一項に記載の劣化診断装置。
8. 前記低性能部分は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒における単位容積あたりの総表面積又は比表面積が前記ベース部分よりも小さい、請求項１～６のいずれか一項に記載の劣化診断装置。
   

Images