JPWO2010082354A1 - 排気浄化装置の異常検出装置及び排気浄化装置の異常検出方法 - Google Patents

Abstract

選択還元型ＮＯx触媒に供給する還元剤量が不足しているか否かを速やかに判定する。還元剤供給手段に異常がないと仮定したときに所定量以上の還元剤が選択還元型ＮＯx触媒に吸着していると判定された後に、選択還元型ＮＯx触媒に流入するＮＯx量を還元するのに要する還元剤供給量の供給を開始し、この還元剤の供給を開始してから所定期間経過時におけるＮＯx浄化率に基づいて還元剤供給手段の異常を判定する。還元剤供給手段の異常時にはＮＯx浄化率が下降する。

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置の異常検出装置及び排気浄化装置の異常検出方法に関する。

選択還元型ＮＯx触媒に供給される還元剤の量を変更し、排気ガス系統に配置されたセンサの信号が初期のように変化しない場合には、排気処理システムに欠陥が存在すると判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、還元剤量を変更することにより、還元剤の供給量が過剰となると該還元剤が触媒をすり抜ける虞がある。また、還元剤の供給量が不足すると、排気中の有害物質を浄化することができなくなる虞がある。さらに、還元剤の供給量を変更してからセンサの信号が変化するまでには時間がかかる。センサの信号が変化するまでに内燃機関の運転状態が変化すると、前記判定ができなくなる虞もある。このため、前記判定に時間がかかる虞がある。
特開２００４−１７６７１９号公報 特開２００８−１９６３４０号公報 特開２００５−２２６５０４号公報 特開２００８−１９０５２９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、選択還元型ＮＯx触媒に供給する還元剤量が不足しているか否かを速やかに判定することにある。

上記課題を達成するために本発明による排気浄化装置の異常検出装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による排気浄化装置の異常検出装置は、
内燃機関の排気通路に設けられ還元剤によりＮＯxを選択還元する選択還元型ＮＯx触媒と、
前記選択還元型ＮＯx触媒よりも上流側から還元剤を供給する還元剤供給手段と、
前記選択還元型ＮＯx触媒よりも下流のＮＯx量を検知する下流側ＮＯx量検知手段と、
前記選択還元型ＮＯx触媒よりも上流のＮＯx量を検知する上流側ＮＯx量検知手段と、
前記下流側ＮＯx量検知手段により検知されるＮＯx量と前記上流側ＮＯx量検知手段により検知されるＮＯx量とから前記選択還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を算出する浄化率算出手段と、
前記還元剤供給手段に異常がないと仮定した場合に所定量以上の還元剤が前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているか否か判定する吸着判定手段と、
前記上流側ＮＯx量検知手段により検知されるＮＯx量を還元するのに要する還元剤供給量を算出する供給量算出手段と、
前記吸着判定手段により所定量以上の還元剤が前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着していると判定された後であって前記供給量算出手段により算出される量の還元剤の供給を開始してから所定期間経過時における前記ＮＯx浄化率に基づいて前記還元剤供給手段の異常を判定する異常判定手段と、
を備えることを特徴とする。

還元剤供給手段の異常とは、還元剤の供給量が指令値から許容範囲を超えて減少していることをいう。これは、還元剤供給手段からの還元剤の供給量が新品時から許容範囲を超えて減少しているとしても良い。この還元剤の供給量の減少は、単位時間当たりの供給量の減少であっても良く、還元剤の供給時間の短縮による供給量の減少であっても良い。

本発明では、選択還元型ＮＯx触媒よりも上流のＮＯx量に対し、選択還元型ＮＯx触媒にて浄化されたＮＯx量の割合をＮＯx浄化率としている。なお、選択還元型ＮＯx触媒よりも上流のＮＯx量から下流のＮＯx量を減じることにより、該選択還元型ＮＯx触媒にて浄化されたＮＯx量を算出することができる。この浄化されたＮＯx量を上流側ＮＯx量検知手段にて検知されるＮＯx量で割ることによりＮＯx浄化率を算出することができる。

下流側ＮＯx量検知手段及び上流側ＮＯx量検知手段は、ＮＯx濃度と排気の流量とを測定し、これらからＮＯx量を算出しても良い。

なお、吸着判定手段は、還元剤供給手段に異常がないと仮定した場合における還元剤の吸着量に基づいた判定をしているのであって、実際の吸着量を検知する必要はない。つまり、還元剤供給手段や選択還元型ＮＯx触媒に異常がない場合には、実際に所定量以上の還元剤が吸着し得るが、何れかに異常がある場合には、所定量以上の還元剤が実際には吸着していないこともあり得る。吸着判定手段は、所定条件で還元剤が供給された場合に所定量以上の還元剤が吸着していると判定しても良い。また、還元剤の供給量と、選択還元型ＮＯx触媒における還元剤の消費量と、に基づいて、該選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤量を推定しても良い。

供給量算出手段により算出される還元剤供給量は、排気中に含まれるＮＯxを還元するために消費される還元剤量としても良い。つまり、選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤は、排気中のＮＯxを還元することにより減少する。この減少分を供給量算出手段が算出している。そして、供給量算出手段により算出される量の還元剤を供給することにより、選択還元型ＮＯx触媒における還元剤の吸着量を高いまま維持することができるため、ＮＯx浄化率を高いまま維持することができる。また、還元剤が過剰に供給されることを抑制できるため、還元剤が選択還元型ＮＯx触媒をすり抜けることを抑制できる。

しかし、還元剤供給手段に異常が生じると、要求される還元剤供給量に対し実際の還元剤供給量が減少するため、供給量算出手段により算出される量の還元剤を供給することができなくなる。つまり、排気中に含まれるＮＯxを還元することで選択還元型ＮＯx触媒における還元剤の吸着量が減少するにもかかわらず、その減少した分の還元剤を新たに供給することができなくなる。そのため、還元剤の吸着量が徐々に減少するので、ＮＯx浄化率が徐々に低下する。

つまり、所定量以上の還元剤が選択還元型ＮＯx触媒に吸着していると判定された後であって供給量算出手段により算出される量の還元剤を供給しているときのＮＯx浄化率に基づいて還元剤供給手段の異常を判定できる。すなわち、ＮＯx浄化率が徐々に低下していれば、還元剤供給手段に異常があると判定できる。一方、還元剤供給手段に異常がない場合には、吸着量が所定量以上に維持されるため、ＮＯx浄化率が略一定となる。

なお、所定期間は、還元剤供給手段に異常があるときに該異常の影響がＮＯx浄化率の下降として現れるまでの期間としても良い。または、ＮＯx浄化率が還元剤供給手段の異常を判定することが可能な値まで低下するのに要する期間としても良い。また、所定量は、還元剤供給手段に異常がある場合にＮＯx浄化率が下降することを検知可能な量としても良い。

なお、選択還元型ＮＯx触媒が劣化した場合には、ＮＯx浄化率が正常時より低くなるものの、ＮＯx浄化率が短時間で低下することはない。つまり、還元剤供給手段に異常があるときと比較して、ＮＯx浄化率は高くなる。これにより、還元剤供給手段に異常があるのか、または触媒が劣化しているのか特定することができる。

本発明において前記吸着判定手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤の量が所定量よりも少なくなる条件が成立した後に、該条件が成立しないときよりも還元剤を増量して供給した後であれば、所定量以上の還元剤が前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着していると判定することができる。

還元剤の増量は、供給量算出手段により算出される量よりも増量していれば良い。例えば、選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤は、温度が高くなると該選択還元型ＮＯx触媒から脱着する。このような条件が成立した後には、選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤量が、ＮＯxの浄化に必要な量よりも少なくなる。このため、ＮＯxの浄化能力を速やかに回復させるように、還元剤の供給量が通常よりも増加される。つまり、還元剤の供給量を増加させることにより、選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤量を速やかに増加させる。このように還元剤を増量して供給した後であれば、還元剤供給手段に異常があったとしても選択還元型ＮＯx触媒にはある程度の還元剤が吸着する。なお、選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤の量が所定量よりも少なくなる条件が成立した後とは、該選択還元型ＮＯx触媒の温度が還元剤の脱着温度まで上昇した後とすることができる。

そして、還元剤供給手段に異常がなければ、還元剤を増量して供給した後にはＮＯxの浄化に十分な量の還元剤が選択還元型ＮＯx触媒に吸着するため、高いＮＯx浄化率を維持することができる。一方、還元剤供給手段に異常があれば、還元剤の吸着量が徐々に減少するため、ＮＯx浄化率が徐々に下降する。つまり、還元剤を増量して供給した後にはＮＯx浄化率の下降を検知し易くなるため、精度の高い異常判定が可能となる。

本発明においては、前記還元剤供給手段からの還元剤の供給量が許容範囲の下限値となった場合におけるＮＯx浄化率の推移を推定する推定手段を備え、
前記所定期間は、前記吸着判定手段により還元剤の供給が検知されてから前記推定手段に推定されるＮＯx浄化率が閾値まで低下するのに要する期間であっても良い。

推定手段は、還元剤供給手段が正常と異常との境にあると仮定した場合のＮＯx浄化率の推移を推定しても良い。この推定値が閾値まで低下するのに要する期間を所定期間としている。閾値は、還元剤供給手段に異常がある場合のＮＯx浄化率とすることができる。これにより、還元剤供給手段の異常判定を行う時期を設定することができる。つまり、推定手段により推定されるＮＯx浄化率は下限値であるため、所定期間経過時の実際のＮＯx浄化率がそれよりも低ければ、還元剤供給手段に異常があると判定できる。

なお、前記推定手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒における還元剤の吸着量の初期値を０としてＮＯx浄化率を推定しても良い。

ここで、選択還元型ＮＯx触媒における還元剤の吸着量を推定することにより、ＮＯx浄化率を推定することができる。還元剤の吸着量の初期値を０と仮定すると、還元剤を増量して供給した後に還元剤の吸着量が閾値まで低下するのに要する時間が短くなるため、前記所定期間が短くなる。このため、還元剤の吸着量の初期値を０よりも大きな値としたときに還元剤供給手段が異常であると判定される場合であっても、異常はないと判定される場合もある。しかし、実際のＮＯx浄化率は閾値以上となっているためＮＯxは十分に浄化できている。このような場合には、還元剤供給手段に異常はないと判定することで、実際のＮＯx浄化率に応じた異常判定が可能となる。

本発明において前記異常判定手段は、前記所定期間経過時に前記浄化率算出手段により算出されるＮＯx浄化率が閾値よりも低いときに前記還元剤供給手段に異常があると判定することができる。

閾値は、還元剤供給手段に異常がある場合のＮＯx浄化率とすることができる。つまり、所定期間経過時のＮＯx浄化率が閾値よりも低ければ、還元剤供給手段から十分な量の還元剤が供給されていないと判断することができる。

本発明において前記異常判定手段は、前記供給量算出手段により算出される量の還元剤の供給開始時におけるＮＯx浄化率と、前記所定期間経過時におけるＮＯx浄化率と、からＮＯx浄化率の低下度合いを求め、該ＮＯx浄化率の低下度合いが閾値よりも大きいときに前記還元剤供給手段に異常があると判定することができる。

ここで、還元剤の吸着量が十分である場合には、選択還元型ＮＯx触媒が劣化していたとしてもＮＯx浄化率は略一定となるが、還元剤の吸着量が不十分である場合には、ＮＯx浄化率は低下する。そして、還元剤の供給量が少ないほど、ＮＯx浄化率の低下度合いが大きくなる。つまり、ＮＯx浄化率の低下度合いに応じて還元剤供給手段の異常を判定することができる。なお、供給量算出手段により算出される量の還元剤の供給開始時におけるＮＯx浄化率と、所定期間経過時におけるＮＯx浄化率と、の差または比に応じて還元剤供給手段の異常を判定しても良い。

本発明においては、前記下流側ＮＯx量検知手段は還元剤量も検知し、
前記浄化率算出手段は、前記下流側ＮＯx量検知手段により検知される還元剤量をＮＯx量としてＮＯx浄化率を算出し、
前記ＮＯx浄化率に基づいて、前記還元剤供給手段により供給する還元剤量のフィードバック制御を行うフィードバック制御手段を備え、
前記異常判定手段により前記還元剤供給手段に異常があると判定された場合であっても、前記フィードバック制御手段により還元剤供給量が基準値よりも減少された場合には、前記還元剤供給手段の異常ではなく前記選択還元型ＮＯx触媒の劣化であると判定することができる。

下流側ＮＯx量検知手段は還元剤量もＮＯx量として検知するため、排気中の還元剤量が増加すると、ＮＯx浄化率が低下していると判定される。ここで、フィードバック制御手段は、ＮＯx浄化率がより高くなるように、若しくは所定の範囲内となるように、還元剤の供給量を補正する。

ここで、還元剤供給手段に異常があり還元剤供給量が不足するときには、還元剤供給量を増加させることによりＮＯx浄化率は上昇する。一方、選択還元型ＮＯx触媒が劣化することにより還元剤の吸着可能量が減少すると、還元剤の一部が触媒をすり抜けて下流側ＮＯx量検知手段により検知されるので、ＮＯx浄化率が低下する。このような場合には、還元剤供給量を減少させることにより、触媒をすり抜ける還元剤が減少するため、ＮＯx浄化率は上昇する。

このようなフィードバック制御を行うと、選択還元型ＮＯx触媒の劣化時においても還元剤供給手段の異常時と同様にＮＯx浄化率が低下し得る。このため、還元剤供給手段の異常と、選択還元型ＮＯx触媒の劣化と、をＮＯx浄化率のみで区別することが困難となる。

しかし、フィードバック制御による還元剤供給量の補正量は、還元剤供給手段の異常時には増量方向であり、選択還元型ＮＯx触媒の劣化時には減量方向となる。つまり、還元剤供給手段の異常時には、ＮＯx浄化率を高くするために還元剤の供給量が増量される。また、選択還元型ＮＯx触媒の劣化時には、還元剤のすり抜けを抑制するために還元剤の供給量が減量される。この補正する方向に基づけば、還元剤供給手段の異常と、選択還元型ＮＯx触媒の劣化とを区別することができる。

また、上記課題を達成するために本発明による排気浄化装置の異常検出方法は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明による排気浄化装置の異常検出方法は、
内燃機関の排気通路に設けられる選択還元型ＮＯx触媒に所定量以上の還元剤が吸着するだけの還元剤を供給する第１の工程と、
前記第１の工程後に排気中のＮＯxを還元させるのに要する量の還元剤を供給する第２の工程と、
前記第２の工程開始から所定期間経過時のＮＯx浄化率に基づいて還元剤の供給不足を判定する第３の工程と、
を含んで構成されることを特徴とする。

なお、前記第１の工程は、前記選択還元型ＮＯx触媒の温度が還元剤の脱着温度まで上昇した後に、該脱着温度未満のときよりも還元剤を増量して供給することにより行うことができる。

また、前記第３の工程では、ＮＯx浄化率が閾値より低いときに還元剤の供給不足が発生していると判定することができる。

本発明によれば、選択還元型ＮＯx触媒に供給する還元剤量が不足しているか否かを速やかに判定することができる。

実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 触媒からのアンモニア脱着後に尿素を供給したときの第２ＮＯxセンサにより測定されるＮＯx濃度の推移を示した図である。 触媒におけるアンモニア吸着量とＮＯx浄化率との関係を示した図である。 ＮＯx浄化率の推移を示した図である。 ＮＯx浄化率を推定するためのブロック図を示している。 アンモニアの吸着量とＮＯx浄化率との関係を示した図である。 実施例１における噴射弁の異常を判定するフローを示したフローチャートである。 尿素供給量のフィードバック制御を行っていない場合のＮＯx浄化率の推移を示したタイムチャートである。 尿素供給量のフィードバック制御を行っている場合のＮＯx浄化率及び尿素供給量のフィードバック値（補正係数）の推移を示したタイムチャートである。 実施例２における噴射弁の異常を判定するフローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 選択還元型ＮＯx触媒
４ 噴射弁
５ 分散板
６ 第１ＮＯxセンサ
７ 第１温度センサ
８ 第２ＮＯxセンサ
９ 第２温度センサ
１０ ＥＣＵ
１１ アクセルペダル
１２ アクセル開度センサ
１３ クランクポジションセンサ

以下、本発明に係る排気浄化装置の異常検出装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・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。この排気通路２の途中には、選択還元型ＮＯx触媒３（以下、触媒３という。）が備えられている。また、触媒３よりも上流の排気通路２には、排気中に尿素を噴射する噴射弁４が取り付けられている。噴射弁４は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して排気中へ尿素を供給する。なお、本実施例においては噴射弁４が、本発明における還元剤供給手段に相当する。

噴射弁４よりも下流には、尿素を衝突させることにより該尿素を広い範囲に分散させるための分散板５が設けられている。この分散板５は、例えば排気の流れ方向に対して直角に設置される板であって、複数の穴を開けたものを用いることができる。また、金属網を採用しても良い。

噴射弁４から噴射された尿素は、排気の熱で加水分解されアンモニア（アンモニア）となり、触媒３に吸着する。このアンモニアがＮＯxを還元させる。なお、分散板５よりも下流で且つ触媒３よりも上流に加水分解触媒を備えていても良い。

噴射弁４よりも上流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する第１ＮＯxセンサ６及び排気の温度を測定する第１温度センサ７が取り付けられている。また、触媒３よりも下流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する第２ＮＯxセンサ８及び排気の温度を測定する第２温度センサ９が取り付けられている。なお、第１ＮＯxセンサ６及び第２ＮＯxセンサ８は、アンモニアもＮＯxと同様に検知するため、排気中のアンモニア濃度が高い場合には、ＮＯx濃度が高いとして検知される。また、夫々のセンサにより得られるＮＯx濃度と、排気の流量とから、ＮＯx量を算出することもできる。第１ＮＯxセンサ６及び第２ＮＯxセンサ８は、ＮＯx量を測定するセンサとしても良い。つまり、本実施例においては第１ＮＯxセンサ６が、本発明における上流側ＮＯx量検知手段に相当する。また、本実施例においては第２ＮＯxセンサ８が、本発明における下流側ＮＯx量検知手段に相当する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１や排気浄化装置を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１２、および機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁４の開閉時期が制御される。

ＥＣＵ１０は、触媒３におけるＮＯx浄化率を算出する。まず、第１ＮＯxセンサ６により得られるＮＯx量と、第２ＮＯxセンサ８により得られるＮＯx量と、の差を求める。この差が、触媒３にて浄化されたＮＯx量となる。そして、触媒３にて浄化されたＮＯx量を第１ＮＯxセンサ６により得られるＮＯx量で除することにより、ＮＯx浄化率を得ることができる。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。

そして本実施例では、触媒３に吸着しているアンモニア量が十分でないと判定される場合には、触媒３に吸着しているアンモニア量を速やかに増加させるために尿素を増量して供給する。そして、その後の触媒３におけるＮＯx浄化率に基づいてアンモニアの供給異常を判定する。なお、排気中のＰＭを捕集するフィルタを備えているときには、フィルタの温度を上昇させてＰＭを酸化させるフィルタの再生を行った場合に、触媒３に吸着しているアンモニア量が十分でないと判定することができる。また、吸蔵還元型ＮＯx触媒を備えているときには、硫黄被毒を解消するための制御を行った場合に、触媒３に吸着しているアンモニア量が十分でないと判定することができる。さらに、触媒３の温度を速やかに上昇させるための昇温制御を行った場合に、触媒３に吸着しているアンモニア量が十分でないと判定することができる。

ここで、触媒３に吸着しているアンモニアは、該触媒３の温度が高くなると該触媒３から脱着する。フィルタの再生時、硫黄被毒の解消時、触媒３の昇温時には、触媒３の温度が高くなるためアンモニアが脱着する。その後、ＮＯx浄化率を速やかに回復させるために、アンモニアの供給を通常よりも増量して行う。これにより触媒３には、短時間に多くのアンモニアが吸着するため、ＮＯx浄化率を速やかに高めることができる。本実施例では、このようにアンモニアを多く吸着させる処理を行った直後にアンモニアの供給異常を判定する。なお、ＮＯx還元のために通常量のアンモニアを供給している場合であっても、多くのアンモニアが触媒３に吸着すれば、アンモニアの供給異常の判定を行っても良い。つまり、触媒３に多くのアンモニアが吸着するようにＥＣＵ１０が噴射弁４を制御した後であれば良い。例えば、噴射弁４に異常がないと仮定した場合に、所定量以上のアンモニアが触媒３に吸着し得る制御を行った後であれば良い。なお、本実施例では所定量以上のアンモニアが触媒３に吸着し得る制御を行ったか否か判定するＥＣＵ１０が、本発明における吸着判定手段に相当する。

ここで、本実施例におけるアンモニアの供給異常は、ＥＣＵ１０により算出されたアンモニア供給量（以下、指令値という。）に対し、実際の供給量が少ない場合をいう。これには、噴射弁４の故障の他に、噴射弁４に尿素を送る装置（ポンプ、タンク、通路等）の異常を含む。なお、これらを含め以下、噴射弁４の異常ともいう。

図２は、触媒３からのアンモニア脱着後に尿素を供給したときの第２ＮＯxセンサ８により測定されるＮＯx濃度の推移を示した図である。図２は、噴射弁４に異常がない場合であって触媒３の温度が２００℃の場合を示している。また、尿素を増量して供給する制御は行っていない場合を示している。

尿素噴射開始後から触媒３に吸着しているアンモニア量が増加していき、これに応じてＮＯxの浄化率が高くなる。つまり、触媒３よりも下流のＮＯx濃度が徐々に下降する。尿素噴射中であっても触媒３ではＮＯxが還元されるため、その分のアンモニアは消費される。そのため、ＮＯx浄化率が高くなるまでに時間がかかる。本実施例では、触媒３に吸着していたアンモニアが脱着した後に尿素の供給量を通常よりも増加させることにより、触媒３に吸着しているアンモニア量を速やかに増加させる。つまり、尿素の供給量を通常よりも増量させることにより、図２に示した場合よりも、第２ＮＯxセンサ８により測定されるＮＯx濃度は速やかに下降する。この尿素の増量は、単位時間当たりの噴射量を増加することにより行うこともできるし、尿素を間欠的に噴射しているときの尿素の噴射時間を延長するか噴射停止時間を短縮することによって行うこともできる。なお、噴射弁４に異常がある場合には、触媒３よりも下流のＮＯx濃度の下降の度合いが小さくなる。

また、本実施例では、所定量以上のアンモニアが触媒３に吸着している場合には、触媒３に流入するＮＯx量に応じて尿素の供給量が決定される。つまり、ＮＯxを還元するために消費されるアンモニア量に応じて尿素を供給している。このときの供給量を通常の供給量と称している。噴射弁４に異常がなければ、消費されるアンモニア量と新たに吸着するアンモニア量とが同じになるため、触媒３には常に一定量のアンモニアが吸着していることになる。なお、本実施例においては触媒３に流入するＮＯx量に応じて尿素の供給量を算出するＥＣＵ１０が、本発明における供給量算出手段に相当する。

しかし、噴射弁４に異常があると、指令値よりも少ない尿素しか供給されないため、消費されるアンモニア量に対し、新たに吸着するアンモニア量が少なくなる。そのため、噴射弁４から尿素を供給しても触媒３に吸着しているアンモニア量は徐々に低下していく。これにより、触媒３におけるＮＯx浄化率が徐々に低下する。

図３は、触媒３におけるアンモニア吸着量とＮＯx浄化率との関係を示した図である。触媒３に吸着しているアンモニアの量が多くなるほど、ＮＯx浄化率は高く、触媒３に吸着しているアンモニアの量が少なくなるほど、ＮＯx浄化率は低い。そのため、触媒３に吸着しているアンモニア量が減少した場合には、尿素の供給量を増量することで速やかにアンモニアの吸着量を増加させる。その後、噴射弁４の正常時には、消費されるアンモニアに応じて新たなアンモニアが供給されるため、ＮＯx浄化率が高い状態で維持される。一方、噴射弁４に異常がある場合には、尿素の供給量が指令値よりも少なくなるので、尿素を増量して供給した直後（アンモニア吸着直後）であってもアンモニアの吸着量が少ない。ただし、尿素を増量して供給することにより、供給直後には許容範囲の下限値である閾値以上のＮＯx浄化率を確保できる。しかし、その後の尿素の供給においてもＮＯx量に対する尿素の供給量が不足しているため、アンモニアの吸着量は徐々に低下し、所定期間経過時にはＮＯx浄化率が閾値よりも低くなってしまう。

このため、触媒３にアンモニアを吸着させた直後のＮＯx浄化率と、所定期間経過時のＮＯx浄化率と、を比較して噴射弁４の異常を判定することができる。この所定期間は、尿素を増量した供給の終了直後又は通常の供給量での供給開始時から、噴射弁４の異常の影響がＮＯx浄化率に現れるまでの期間とすることができる。この所定期間は、実験等により最適値を求めても良い。また単に、規定の値としても良い。

なお、尿素を増量して供給を行った直後のＮＯx浄化率と、所定期間経過時のＮＯx浄化率と、から得られるＮＯx浄化率の低下度合いに基づいて噴射弁４の異常を判定しても良い。例えば、ＮＯx浄化率の低下度合いが閾値以上である場合に噴射弁４に異常があると判定することができる。また、ＮＯx浄化率の低下度合いに応じて、噴射弁４からの尿素の供給量の減少度合いを求めても良い。なお、尿素を増量した供給を行った直後から所定期間経過時のＮＯx浄化率のみによって噴射弁４の異常を判定しても良い。つまり、所定期間経過時のＮＯx浄化率が閾値よりも低い場合に噴射弁４に異常があると判定しても良い。本実施例ではこれらの判定を行うＥＣＵ１０が、本発明における異常判定手段に相当する。

図４は、ＮＯx浄化率の推移を示した図である。実線は噴射弁４が正常である場合、一点鎖線は噴射弁４が異常である場合を示している。二点鎖線は、噴射弁４が正常ではあるが、尿素の供給量が許容範囲の下限値に達している場合を示している。二点鎖線は、噴射弁４が正常と異常との境界にあるときのＮＯx浄化率の推移としても良い。閾値は、ＮＯx浄化率の許容範囲の下限値である。ＡからＢまでの期間において噴射弁４から尿素が増量して供給され、Ｂで示される時間以降では通常の供給量にて尿素が供給される。ＢからＣまでの期間が、前記所定期間である。

つまり、尿素の供給量が許容範囲の下限値に達していると仮定したときにおけるＮＯx浄化率が閾値となる時期が、所定期間の終わりとなる。噴射弁４が正常ではあるが、尿素の供給量が許容範囲の下限値に達している場合のＮＯx浄化率の推移は、触媒３に吸着しているアンモニア量を推定することにより得られる。また、実験により得ることもできる。つまり、尿素を増量した供給の終了時から所定期間が経過したときの実際のＮＯx浄化率が閾値よりも低ければ、噴射弁４が異常であると判定することができる。

なお、触媒３が劣化している場合には、尿素の供給量が十分に多いとしても触媒３にアンモニアが吸着し難くなる。つまり、尿素を増量した供給の終了直後からＮＯx浄化率が低く、且つ、その後はＮＯx浄化率が低い一定値のまま推移する。ただし、触媒３の劣化時であっても、ＮＯx量に応じて尿素を供給していれば、閾値よりも高いＮＯx浄化率を得ることができる。つまり、噴射弁４が異常である場合と、触媒３が劣化している場合と、はＮＯx浄化率に基づいて区別することができる。

図５は、ＮＯx浄化率を推定するためのブロック図を示している。このＮＯx浄化率は、噴射弁４が正常であるが尿素の供給量が許容範囲の下限値に達している場合のＮＯx浄化率である。また、噴射弁４が正常と異常との境界にあるときのＮＯx浄化率の推定値としても良い。

供給量指令値とは、ＥＣＵ１０にて算出される尿素の供給量である。異常係数とは、噴射弁４の新品時の供給量に対する異常時の供給量の比である。この異常係数は、どの程度の供給量の低下により噴射弁４の異常と判定するのかによって定められる。この異常時の尿素の供給量は、許容範囲の下限値としても良い。つまり、供給量指令値に異常係数を乗じることにより、噴射弁４が正常であるが尿素の供給量が許容範囲の下限値に達している場合の供給量を得ることができる。この異常時のアンモニアの供給量を図５では、「供給アンモニア」と示している。異常係数は、内燃機関１の種類や排気浄化システムの種類によって異なる値である。

図５における入りＮＯx量とは、触媒３に流入するＮＯx量である。また、アンモニア換算係数とは、単位質量あたりのＮＯxを還元するために要するアンモニア量である。つまり、入りＮＯx量にアンモニア換算係数を乗じることにより、該入りＮＯx量を還元するために必要となるアンモニア量を求めることができる。

浄化効率マップとは、アンモニアの吸着量とＮＯx浄化率との関係をマップ化したものである。ここで、図６は、アンモニアの吸着量とＮＯx浄化率との関係を示した図である。この関係は実験等により得ることができる。吸着量が多くなるほどＮＯx浄化率は高くなるが、高くなる度合いは小さくなる。そして、ＮＯx浄化率に応じてアンモニアが消費されることになる。つまり触媒３では、入りＮＯx量及び浄化率マップに応じた量のアンモニアが実際に消費される。この実際のアンモニアの消費量を図５では、「消費アンモニア」と示している。

図５における吸着量とは、触媒３に吸着しているアンモニア量である。ここで、吸着量は「供給アンモニア」と「消費アンモニア」とに応じて変化する。つまり、過去の吸着量に対し「供給アンモニア」を加え、「消費アンモニア」を減じることにより、現時点での吸着量を算出することができる。

また、推定浄化率とは、現時点におけるＮＯx浄化率の推定値である。つまり、吸着量と浄化率マップとから、現時点でのＮＯx浄化率を推定している。

この推定浄化率により、尿素の供給量が許容範囲の下限値に達している場合のＮＯx浄化率の推移を得ることができる。なお、本実施例ではこのようにしてＮＯx浄化率を推定するＥＣＵ１０が、本発明における推定手段に相当する。

なお、推定浄化率を算出するときには、内燃機関１の始動時の触媒３にアンモニアが吸着していないものと仮定しても良い。つまり、図５における吸着量の初期値を０としても良い。これにより、排気浄化に対して条件が最も悪い状態で推定を行う。ここで、噴射弁４に異常がない場合には、触媒３にアンモニアがある程度吸着された状態が保たれている。そして、内燃機関１の始動時にもアンモニアがある程度吸着されている場合もある。

本実施例では、吸着量の実際の初期値がどのような値であっても、条件が成立すれば尿素を増量した供給を実行する。ここで、吸着量の初期値を０とすることにより、実際の吸着量が０より大きい場合と比較して、ＮＯx浄化率が閾値まで低下するのに要する時間が短くなる。つまり、図４におけるＢからＣまでの期間が短くなるため、噴射弁４の異常判定を行う時期が早くなる。そうすると、噴射弁４に異常があったとしても、実際のＮＯx浄化率が閾値となる前に異常判定を行う時期となることもあり得る。このような場合には、噴射弁４に異常はないと判定されるが、実際のＮＯx浄化率は閾値よりも高いため排気浄化という点では問題はない。また、図５に示したブロック図でＮＯx浄化率を推定するのは、単に異常判定を行う時期を得るためなので、実際のＮＯx浄化率を正確に求める必要はない。

つまり、吸着量の初期値が０である場合には、排気浄化に対して条件が最も悪い状態であるが、このようなときに実際のＮＯx浄化率が閾値以上であれば、噴射弁４に異常はないと判定することができる。また、図４におけるＢからＣの期間が短くなるため、より早く噴射弁４の異常を判定することができる。

図７は、本実施例における噴射弁４の異常を判定するフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、一定の期間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、噴射弁４から尿素を増量しつつ供給する制御が行われたか否か判定される。つまり、ある程度のアンモニアが触媒３に吸着している状態となったか否か判定される。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、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、噴射弁４から尿素を増量しつつ供給する制御が終了してから所定期間が経過したか否か判定される。つまり、噴射弁４に異常がある場合に、その異常の影響がＮＯx浄化率に現れるまでの期間が経過したか否か判定される。つまり、図４においてＣで示される時期となっているか否か判定する。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、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２を再度実行する。

ステップＳ１０３では、実際のＮＯx浄化率が閾値以上であるか否か判定する。実際のＮＯx浄化率は、第１ＮＯxセンサ６と第２ＮＯxセンサ８とから算出する。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０４にて噴射弁４が正常であると記憶される。ステップＳ１０３で否定判定がなされた場合には、ステップＳ１０５にて噴射弁が異常であると記憶される。

以上説明したように本実施例によれば、ＮＯx浄化率の推移から噴射弁４の異常を判定することができる。つまり、尿素の供給不足を判定することができる。この際に、触媒３の劣化とは区別することができる。また、既存のＮＯxセンサを用いて判定を行うことができるため、別途装置を増設する必要がない。さらに、噴射弁４の異常を判定するときに特別な運転条件を必要としないため、速やかな判定が可能である。

なお、本実施例では還元剤にアンモニアを用いる選択還元型ＮＯx触媒について説明したが、他の還元剤（例えばＨＣ）を用いる選択還元型ＮＯx触媒であっても同様に適用することができる。

本実施例においては、尿素の供給量をフィードバック制御している場合に、噴射弁４の異常と、触媒３の劣化と、の何れが生じているのか特定する。

ここで、触媒３の劣化度合いが高くなるほど、該触媒３に吸着するアンモニア量が減少するため、該触媒３に吸着されずにすり抜けるアンモニア量が多くなる。そして、第２ＮＯxセンサ８では、ＮＯx及びアンモニアが検知される。つまり、触媒３の劣化が進行するほど触媒３をすり抜けるアンモニアが多くなるため、第２ＮＯxセンサ８の出力値が大きくなる。これにより、ＥＣＵ１０にて算出される見かけ上のＮＯx浄化率が低下する。

そして本実施例では、ＮＯx浄化率が最も高くなるように尿素供給量をフィードバック制御する。この、尿素供給量のフィードバック制御は例えば以下のようにして行う。ここで、触媒３をＮＯxがすり抜けても、またアンモニアがすり抜けても、第２ＮＯxセンサ８の出力値が大きくなる。そのため、触媒３をＮＯxがすり抜けても、またアンモニアがすり抜けても、ＮＯx浄化率が低くなる。

ここで、触媒３が劣化していない場合に、触媒３に流入するＮＯx量を完全に還元するために要するアンモニア量に対する、実際に供給するアンモニア量の比（以下、供給比という。）を考える。触媒３が劣化していない場合であって供給比が１の場合には、ＮＯxの還元に必要十分な量のアンモニアが供給されるため、ＮＯx浄化率は最も高くなる。そして、供給比が１よりも小さくなるほど、アンモニアの不足により還元されないＮＯx量が多くなるため、第２ＮＯxセンサ８で検知されるＮＯx量が増加する。これにより、ＮＯx浄化率は低下する。また、供給比が１よりも大きくなるほど、アンモニアの過多により触媒３をすり抜けるアンモニア量が増加する。そして、アンモニアも第２ＮＯxセンサ８にて検知されるため、見かけ上のＮＯx浄化率は低下する。つまり、供給比が１のときにＮＯx浄化率が最も高く、供給比が１よりも小さくなるほど、又は大きくなるほど、ＮＯx浄化率は低下する。

一方、触媒３が劣化している場合であって供給比が１のときには、劣化により吸着されないアンモニアが触媒３をすり抜けるため、第２ＮＯxセンサ８にてアンモニアが検知される。また、供給比が１より多いほど、アンモニアをすり抜けるアンモニア量が多くなる。一方、供給比が１よりも小さいほど、触媒３をすり抜けるアンモニア量は減少する。つまり、供給比が１付近では、供給比が小さくなるほど見かけ上のＮＯx浄化率が上昇する。しかし、供給比が小さくなりすぎると、還元されないＮＯx量の影響が大きくなる。そのため、供給比がある程度小さくなると、供給比が小さくなるほどＮＯx浄化率が低下する。つまり、触媒３が劣化すると、１よりも小さい供給比でＮＯx浄化率が最も高くなる。通常は供給比が１になるように尿素を供給している。これに対し、供給比を１よりも小さくしたときにＮＯx浄化率が低下すれば触媒３は劣化していないと判定し、ＮＯx浄化率が上昇すれば触媒３は劣化していると判定することができる。

このように、尿素供給量を変化させることにより、ＮＯx浄化率が変化する。そして、尿素供給量の減少又は増加の何れによりＮＯx浄化率を高めることができるのか判定できるため、これに従って、尿素供給量のフィードバック制御を行うことができる。なお、本実施例では尿素供給量のフィードバック制御を行うＥＣＵ１０が、本発明におけるフィードバック制御手段に相当する。

そして、ＮＯx浄化率に基づいて尿素供給量をフィードバック制御している場合であって、噴射弁４に異常がある場合には、尿素供給量を増加させることにより実際の供給比が１に近づくため、尿素供給量が増加するように補正を行う。一方、触媒３が劣化している場合には、供給比が１よりも小さいときにＮＯx浄化率が最も高くなるため、尿素供給量を減少させるように補正を行う。

つまり、噴射弁４の異常時と触媒３の劣化時とでは、尿素供給量の補正方向が異なるため、補正値に応じて何れが生じているのか特定することができる。補正量が尿素供給量を増加させる値である場合には噴射弁４に異常があると特定し、減少させる値である場合には触媒３が劣化していると特定することができる。なお、このようなフィードバック制御は限られた運転状態においてのみ可能であるため、常にフィードバック制御を行えるとは限らない。

図８は、尿素供給量のフィードバック制御を行っていない場合のＮＯx浄化率の推移を示したタイムチャートである。これは、実施例１の場合としても良い。一方図９は、尿素供給量のフィードバック制御を行っている場合のＮＯx浄化率及び尿素供給量のフィードバック値（補正係数）の推移を示したタイムチャートである。図８及び図９において実線は、噴射弁４及び触媒３が正常であるが、尿素の供給量が許容範囲の下限値に達している場合を示している。また、一点鎖線は噴射弁４が異常で且つ触媒３が正常ある場合、二点鎖線は噴射弁４が正常で且つ触媒３が劣化している場合を示している。ＢからＣが、実施例１における所定期間である。

尿素供給量のフィードバック制御を行っていない場合（図８）では、Ｃで示される時間において、触媒３の劣化と噴射弁４の異常とでＮＯx浄化率が明らかに異なるため、該ＮＯx浄化率のみにより両者を区別できる。ここで、触媒３が劣化しているので、Ｂで示される時間の近辺では、アンモニアのすり抜けにより見かけ上のＮＯx浄化率が低い。しかし、その後にはアンモニアの供給量がＮＯx量に応じた値となるため、アンモニアのすり抜けは減少していく。そのため時間と共にＮＯx浄化率は上昇し、触媒３の劣化度合いに応じた値に収束する。このときのＮＯx浄化率は噴射弁４の異常時よりも高くなる。このように、触媒３の劣化時にはＮＯx浄化率が時間の経過と共に上昇していくことによっても、噴射弁４の異常時と区別することができる。

しかし、尿素供給量のフィードバック制御を行っている場合（図９）では、Ｃで示される時間において、ＮＯx浄化率が共に閾値よりも低くなるため、これだけでは触媒３の劣化と噴射弁４の異常とを区別できない。

そこで、尿素供給量のフィードバック値に注目する。このフィードバック値は、尿素の供給量に対して乗じることにより用いられる。つまり、フィードバック値が１よりも小さいときには、尿素の供給量が減少される。また、フィードバック値が１よりも大きいときには、尿素の供給量が増加される。

つまり、フィードバック値が１よりも大きい場合にはアンモニアが不足しているため噴射弁４の異常であると特定でき、１よりも小さい場合にはアンモニアがすり抜けているため触媒３の劣化であると特定できる。

図１０は、本実施例における噴射弁４の異常を判定するフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、一定の期間毎に実行される。なお、図７に示したフローと同じ処理がなされるステップについては同じ符号を付して説明を省略する。

ステップＳ２０１では、尿素供給量のフィードバック制御が行われているか否か判定する。ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０１へ進み、否定判定がなされた場合には図７に示したフローで足りるため、本ルーチンを終了させる。

ステップＳ２０２では、尿素供給量の補正係数が１よりも大きいか否か判定される。本ステップでは、尿素供給量が増加されているか否か判定している。なお、フィードバック制御が基準値からの加減により行われている場合には、補正量が正の値か否か判定を行う。

ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０５へ進み噴射弁４の異常であると記憶される。ステップＳ２０２で否定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進み、触媒３が劣化していると記憶される。

以上説明したように本実施例によれば、尿素供給量のフィードバック制御を行っている場合であっても、噴射弁４の異常と、触媒３の劣化とを区別できる。

Claims (10)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ還元剤によりＮＯxを選択還元する選択還元型ＮＯx触媒と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒よりも上流側から還元剤を供給する還元剤供給手段と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒よりも下流のＮＯx量を検知する下流側ＮＯx量検知手段と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒よりも上流のＮＯx量を検知する上流側ＮＯx量検知手段と、
   前記下流側ＮＯx量検知手段により検知されるＮＯx量と前記上流側ＮＯx量検知手段により検知されるＮＯx量とから前記選択還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を算出する浄化率算出手段と、
   前記還元剤供給手段に異常がないと仮定した場合に所定量以上の還元剤が前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているか否か判定する吸着判定手段と、
   前記上流側ＮＯx量検知手段により検知されるＮＯx量を還元するのに要する還元剤供給量を算出する供給量算出手段と、
   前記吸着判定手段により所定量以上の還元剤が前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着していると判定された後であって前記供給量算出手段により算出される量の還元剤の供給を開始してから所定期間経過時における前記ＮＯx浄化率に基づいて前記還元剤供給手段の異常を判定する異常判定手段と、
   を備えることを特徴とする排気浄化装置の異常検出装置。
2. 前記吸着判定手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着している還元剤の量が所定量よりも少なくなる条件が成立した後に、該条件が成立しないときよりも還元剤を増量して供給した後であれば、所定量以上の還元剤が前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着していると判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の異常検出装置。
3. 前記還元剤供給手段からの還元剤の供給量が許容範囲の下限値となった場合におけるＮＯx浄化率の推移を推定する推定手段を備え、
   前記所定期間は、前記吸着判定手段により還元剤の供給が検知されてから前記推定手段に推定されるＮＯx浄化率が閾値まで低下するのに要する期間であることを特徴とする請求項１または２に記載の排気浄化装置の異常検出装置。
4. 前記推定手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒における還元剤の吸着量の初期値を０としてＮＯx浄化率を推定することを特徴とする請求項３に記載の排気浄化装置の異常検出装置。
5. 前記異常判定手段は、前記所定期間経過時に前記浄化率算出手段により算出されるＮＯx浄化率が閾値よりも低いときに前記還元剤供給手段に異常があると判定することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の排気浄化装置の異常検出装置。
6. 前記異常判定手段は、前記供給量算出手段により算出される量の還元剤の供給開始時におけるＮＯx浄化率と、前記所定期間経過時におけるＮＯx浄化率と、からＮＯx浄化率の低下度合いを求め、該ＮＯx浄化率の低下度合いが閾値よりも大きいときに前記還元剤供給手段に異常があると判定することを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の排気浄化装置の異常検出装置。
7. 前記下流側ＮＯx量検知手段は還元剤量も検知し、
   前記浄化率算出手段は、前記下流側ＮＯx量検知手段により検知される還元剤量をＮＯx量としてＮＯx浄化率を算出し、
   前記ＮＯx浄化率に基づいて、前記還元剤供給手段により供給する還元剤量のフィードバック制御を行うフィードバック制御手段を備え、
   前記異常判定手段により前記還元剤供給手段に異常があると判定された場合であっても、前記フィードバック制御手段により還元剤供給量が基準値よりも減少された場合には、前記還元剤供給手段の異常ではなく前記選択還元型ＮＯx触媒の劣化であると判定することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の異常検出装置。
8. 内燃機関の排気通路に設けられる選択還元型ＮＯx触媒に所定量以上の還元剤が吸着するだけの還元剤を供給する第１の工程と、
   前記第１の工程後に排気中のＮＯxを還元させるのに要する量の還元剤を供給する第２の工程と、
   前記第２の工程開始から所定期間経過時のＮＯx浄化率に基づいて還元剤の供給不足を判定する第３の工程と、
   を含んで構成されることを特徴とする排気浄化装置の異常検出方法。
9. 前記第１の工程は、前記選択還元型ＮＯx触媒の温度が還元剤の脱着温度まで上昇した後に、該脱着温度未満のときよりも還元剤を増量して供給することにより行われることを特徴とする請求項８に記載の排気浄化装置の異常検出方法。
10. 前記第３の工程では、ＮＯx浄化率が閾値より低いときに還元剤の供給不足が発生していると判定することを特徴とする請求項８または９に記載の排気浄化装置の異常検出方法。

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