JPWO2012127624A1

JPWO2012127624A1 - 触媒劣化判定システム

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Publication number: JPWO2012127624A1
Application number: JP2013505694A
Authority: JP
Inventors: 中村　好孝; 好孝中村; 洋孝齋藤; 徹木所; 裕澤田; 櫻井　健治; 健治櫻井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2011-03-22
Publication date: 2014-07-24
Anticipated expiration: 2031-03-22
Also published as: EP2690264A1; WO2012127624A1; JP5673797B2; US20140003999A1; EP2690264A4

Abstract

吸蔵還元型ＮＯx触媒（４）の劣化判定をより正確に行なう。ＮＯx触媒（４）へ還元剤を供給することで該ＮＯx触媒（４）を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置（５）と、ＮＯx触媒（４）よりも下流の排気中のＮＨ３を検出するＮＨ３検出装置（８）と、排気の空燃比が所定のリッチ空燃比となるように還元剤量を調節する制御装置（１０）と、排気の空燃比が所定のリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ還元剤を供給したときのＮＨ３検出装置（８）の検出値が閾値以上となるときにＮＯx触媒（４）が劣化していると判定する判定装置（１０）と、を備える。

Description

本発明は、触媒劣化判定システムに関する。

内燃機関のリーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯxを吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒ともいう。）で吸蔵し、その後、空燃比を一時的にリッチとすることでＮＯx触媒からＮＯxを放出させると共にＮ_２へ還元させることができる。そして、リッチ燃焼時において空燃比センサの出力のピーク値を求め、そのピーク値に基づいてＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力を推定し、該推定したＮＯx吸蔵能力を基にＮＯx触媒の劣化を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、還元剤供給の開始初期においてＮＯx触媒から脱離したＮＯxの一部が還元されずにＮＯx触媒から流出してしまうことが知られている（例えば、特許文献２参照。）。

ここで、ガソリンなどの低級ＨＣを還元剤として供給する場合には、上記技術にてＮＯx触媒の劣化を検出することができるが、軽油などの高級ＨＣを還元剤として供給する場合には、空燃比センサの検出値が実際の値とずれることがあるため、ＮＯx触媒の劣化の検出精度が低くなる虞がある。

特開２０００−０３４９４６号公報特開２００７−０４６５１５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、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化判定をより正確に行なうことができる技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による触媒劣化判定システムは、
内燃機関の排気通路に設けられてＮＯxを吸蔵し、吸蔵していたＮＯxを還元剤の供給により還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を判定する触媒劣化判定システムにおいて、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給することで該吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の排気中のＮＨ_３を検出するＮＨ_３検出装置と、
前記供給装置から還元剤を供給するときに排気の空燃比が所定のリッチ空燃比となるように還元剤量を調節する制御装置と、
排気の空燃比が前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ還元剤を供給したときの前記ＮＨ_３検出装置の検出値が閾値以上となるときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定する判定装置と、
を備える。

吸蔵還元型ＮＯx触媒は、リーン空燃比のときにＮＯxを吸蔵し、吸蔵していたＮＯxを還元剤が存在するときに還元する。供給装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給することができる。還元剤は、排気通路を流通する排気中に供給してもよく、内燃機関から排出させるようにしてもよい。そして、還元剤を供給することで、排気の空燃比が低下する。

ここで、ＮＯx触媒に還元剤を供給すると、ＮＯx触媒から放出されるＮＯxやＮＯx触媒に流入するＮＯxと、還元剤と、が反応してＮＨ_３が生成されることがある。このＮＨ_３の生成量は、ＮＯx触媒の劣化の度合い及び排気の空燃比によって変わる。

たとえば、ＮＯx触媒が正常な場合には、理論空燃比よりもわずかにリッチ側の所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給すると、ＮＯx触媒から放出されるＯ_２により還元剤が酸化される。そうすると、還元剤が不足するために、ＮＯx触媒から放出されるＮＯx量が少なくなるので、ＮＨ_３の生成が抑制される。

一方、ＮＯx触媒が劣化している場合には、酸素の吸蔵能力も劣化する。このため、理論空燃比よりもわずかにリッチ側の所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給しても、放出されるＯ_２が少ないために還元剤の酸化が促進されず、還元剤がＮＯx触媒に到達する。その結果、ＮＯx触媒から放出されたＮＯxと、還元剤とが反応してＮＨ_３が生成される。すなわち、ＮＯx触媒の劣化の度合いが大きくなるにしたがって、より多くの還元剤がＮＯxと反応し、ＮＨ_３の生成量が増加する。

そうすると、理論空燃比よりもわずかにリッチ側の所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給したときのＮＨ_３検出装置の検出値が、ＮＯx触媒の劣化の度合いに応じて大きくなる。そして、ＮＯx触媒が劣化しているか否かの境にあるときのＮＨ_３検出装置の検出値を閾値として設定しておけば、ＮＨ_３検出装置の検出値が閾値以上となるときに該ＮＯx触媒が劣化していると判定できる。

なお、所定のリッチ空燃比とは、理論空燃比よりもわずかにリッチ側の空燃比であり、正常なＮＯx触媒よりも劣化しているＮＯx触媒のほうがＮＨ_３の生成量が多くなる空燃比である。それよりも空燃比が低くなると、ＮＯx触媒が正常であってもＮＨ_３の生成量が多くなる。一方、理論空燃比及びリーン空燃比では、ＮＯx触媒の劣化の度合いによらず、ＮＨ_３は殆ど生成されない。したがって、理論空燃比よりもわずかにリッチ側の所定のリッチ空燃比に調節することで、正常なＮＯx触媒と劣化しているＮＯx触媒とをＮＨ_３検出装置の検出値に基づいて判別することができる。

また、本発明においては、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量を検出または推定する吸蔵量検出装置を備え、
前記判定装置は、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化しているか否かの判定を、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxの量が所定量以上のときに行うことができる。

ここで、ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されていない場合には、所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給しても、ＮＯx触媒からＮＯxが放出されないため、ＮＨ_３がほとんど生成されない。したがって、ＮＯx触媒が劣化していても、ＮＨ_３検出装置の検出値が小さくなり、正常なＮＯx触媒との差が小さくなるので、劣化判定の精度が低くなる虞がある。これに対し、ＮＨ_３が生成されるのに十分な量のＮＯxが吸蔵されている状態であれば、正常な触媒と劣化している触媒とでＮＨ_３の生成量に差が生じるので、劣化判定の精度が高くなる。すなわち、所定量とは、劣化しているＮＯx触媒に所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給した場合に、ＮＨ_３検出装置の検出値が閾値となるときのＮＯxの吸蔵量とすることができる。また、所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給した場合に、正常なＮＯx触媒と、劣化しているＮＯx触媒と、でＮＨ_３の生成量に差が生じるＮＯxの吸蔵量を所定量としてもよい。

また、本発明においては、前記判定装置は、前記ＮＨ_３検出装置の検出値の最大値が閾値以上のときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定することができる。

ここで、ＮＯx触媒の劣化の度合いが高くなるほど、生成されるＮＨ_３量が多くなる。このため、ＮＨ_３検出装置の検出値の最大値が大きくなる。このＮＨ_３検出装置の検出値の最大値が許容できなくなる値として閾値を設定する。すなわち、閾値は、ＮＯx触媒が劣化しているときのＮＨ_３検出装置の検出値の最大値の下限値とすることができる。そして、ＮＨ_３検出装置の検出値の最大値と閾値とを比較することで、ＮＯx触媒が劣化しているか否か判定することができる。なお、ＮＨ_３検出装置の検出値の最大値が閾値よりも小さなときには、ＮＯx触媒は正常であると判定する。このように、ＮＯx触媒の劣化の度合いと相関関係にあるＮＨ_３検出装置の検出値の最大値を用いて劣化判定を行うことで、劣化判定を容易且つ正確に行うことができる。

また、本発明においては、前記判定装置は、前記ＮＨ_３検出装置の検出値の積算値が閾値以上のときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定することができる。

ＮＨ_３検出装置の検出値の最大値と同様に、ＮＨ_３検出装置の検出値の積算値もＮＯx触媒の劣化の度合いに応じて大きくなる。積算値は、たとえばＮＨ_３検出装置の検出値を所定時間毎に加算していくことで得る。このＮＨ_３検出装置の検出値の積算値が許容できなくなる値として閾値を設定しておく。そして、ＮＨ_３検出装置の検出値の積算値と閾値とを比較することで、ＮＯx触媒が劣化しているか否か判定することができる。この場合、閾値は、ＮＯx触媒が劣化しているときのＮＨ_３検出装置の検出値の積算値の下限値とすることができる。なお、ＮＨ_３検出装置の検出値の積算値が閾値よりも小さなときには、ＮＯx触媒は正常であると判定する。このように、ＮＯx触媒の劣化の度合いと相関関係にあるＮＨ_３検出装置の検出値の積算値を用いて劣化判定を行うことで、劣化判定を容易且つ正確に行うことができる。

また、本発明においては、前記制御装置は、排気の空燃比が１４から１４．７の間の値となるように還元剤量を調節することができる。

すなわち、所定のリッチ空燃比を１４から１４．７までの間の値に設定する。ここで、排気の空燃比が１４よりも低くなると、正常なＮＯx触媒であってもＮＨ_３検出装置の検出値が大きくなり、閾値以上となる虞がある。このため、劣化判定の精度が低くなる虞がある。一方、リーン空燃比となると、ＮＯx触媒が正常であっても、劣化していてもＮＨ_３がほとんど生成されないため、ＮＨ_３検出装置の検出値に基づいたＮＯx触媒の劣化判定が困難となる。したがって、排気の空燃比が１４から１４．７の間の値となるように還元剤量を調節することで、ＮＯx触媒が正常な場合と劣化している場合とでＮＨ_３検出装置の検出値の差を大きくすることができる。これにより、劣化判定の精度を向上させることができる。

また、本発明においては、前記ＮＨ_３検出装置は、排気中のＮＯx及びＮＨ_３を検出するＮＯxセンサであってもよい。

ここで、ＮＯxセンサはＮＨ_３もＮＯxと同様に検出する。このため、ＮＯxセンサの検出値が、たとえばＮＯ_２の濃度なのか、またはＮＨ_３の濃度なのか判別することができない。しかし、リッチ空燃比となるまで還元剤を供給すると、吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流側の排気中にはＮＯxがほとんど含まれなくなる。このため、ＮＯxセンサの検出値は、ＮＨ_３の濃度を示すことになる。したがって、ＮＯxセンサを用いてＮＨ_３を検出することができる。

本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化判定をより正確に行なうことができる。

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。ＮＯx触媒におけるＮＯxの吸蔵作用を説明するための図である。ＮＯx触媒におけるＮＯxの還元作用を説明するための図である。ＮＯx触媒が正常な場合であって、該ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されていないときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。ＮＯx触媒が正常な場合であって、該ＮＯx触媒に所定量のＮＯxが吸蔵されているときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。ＮＯx触媒が劣化している場合であって、該ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されていないときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。ＮＯx触媒が劣化している場合であって、該ＮＯx触媒に所定量のＮＯxが吸蔵されているときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。ＮＯx触媒のＮＯx吸蔵量及び内燃機関が搭載される車両の速度の推移を示したタイムチャートである。ＮＯx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。

以下、本発明に係る触媒劣化判定システム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、吸蔵還元型ＮＯx触媒４（以下、ＮＯx触媒４という。）が備えられている。

ＮＯx触媒４は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を担体とし、その担体上に、たとえばバリウム（Ｂａ）、セリウム（Ｃｅ）及び白金（Ｐｔ）を担持して構成されている。

このＮＯx触媒４は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯxを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯxを還元する機能を有する。

また、ＮＯx触媒４よりも上流の排気通路２には、排気中に還元剤を噴射する噴射弁５が取り付けられている。噴射弁５は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して排気中へ還元剤を噴射する。還元剤には、たとえば内燃機関１の燃料（軽油）が用いられるが、これに限らない。

噴射弁５から排気通路２内へ噴射された燃料は、排気通路２の上流から流れてきた排気の空燃比を低下させる。そして、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxの還元時には、噴射弁５から燃料を噴射することにより、ＮＯx触媒４に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期で低下させる所謂リッチスパイク制御を実行する。噴射弁５から噴射させる還元剤量は、たとえば内燃機関１の運転状態（機関回転数及び燃料噴射量）に基づいて決定される。還元剤量と機関回転数と機関負荷との関係は予めマップ化しておくことができる。また、排気通路２に空燃比センサを取り付けて、該空燃比センサにより検出される空燃比が目標値となるように還元剤量をフィードバック制御してもよい。

なお、本実施例においては噴射弁５が、本発明における供給装置に相当する。また、内燃機関１から未燃燃料を排出させることで還元剤を供給することもできる。すなわち、気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、該筒内噴射弁から主噴射を行なった後の膨張行程中若しくは排気行程中に再度燃料を噴射する副噴射（ポスト噴射）を行なったり、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を遅らせたりすることにより、内燃機関１から還元剤を多く含むガスを排出させることもできる。

また、噴射弁５よりも上流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する上流側ＮＯxセンサ７が取り付けられている。また、ＮＯx触媒４よりも下流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する下流側ＮＯxセンサ８及び排気の温度を測定する温度センサ９が取り付けられている。なお、本実施例においては下流側ＮＯxセンサ８が、本発明におけるＮＨ_３検出装置またはＮＯxセンサに相当する。

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の運転状態を制御する。

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知するアクセル開度センサ１２、および機関回転数を検知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５が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁５の開閉時期が制御される。なお、本実施例では噴射弁５から供給する還元量を調節するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

そして、ＥＣＵ１０は、排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにリッチ側となる範囲で噴射弁５から還元剤を噴射させ、このときに下流側ＮＯxセンサ８により検出されるＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行う。ここで、ＮＯx及びＮＨ_３は、下流側ＮＯxセンサ８によりＮＯxとして検出される。このため、下流側ＮＯxセンサ８によりＮＨ_３が検出されたのか、またはＮＯxが検出されたのか判別することは困難である。しかし、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、ＮＯx触媒４から流出する排気中にはＮＯxがほとんど含まれなくなる。したがって、このときに下流側ＮＯxセンサ８により検出されるのは、ＮＨ_３ということになる。

ここで、図２は、ＮＯx触媒４におけるＮＯxの吸蔵作用を説明するための図である。また、図３は、ＮＯx触媒４におけるＮＯxの還元作用を説明するための図である。

ＮＯx触媒４は、排気の空燃比がリーンのときにＮＯをＰｔ上でＯ_２と酸化させ、ＢａへＢａ（ＮＯ_３）_２として吸蔵する。一方、還元剤を供給して排気の空燃比をリッチとすると、Ｂａ（ＮＯ_３）_２がＮＯ_２となって放出され、さらにＰｔ上でＮ_２に還元される。このときに、ＮＯx触媒４では、ＮＯとＨ_２とが反応して、ＮＨ_３とＨ_２Ｏとが生成される。また、ＨＣとＮＯとが反応して、ＮＨ_３とＨ_２ＯとＣＯ_２とが生成される。このようにして生成されたＮＨ_３は、下流側ＮＯxセンサ８においてＨ_２またはＯ_２と反応してＮＯになるため、ＮＯxとして検出される。すなわち、下流側ＮＯxセンサ８においてＮＨ_３が検出される。

また、Ｃｅは、リーン空燃比のときに酸素を吸蔵し、リッチ空燃比のときに酸素を放出する。ＮＯx触媒４が劣化すると、Ｃｅも劣化して、酸素の吸蔵能力が及び放出能力が低下する。すなわち、ＮＯx触媒の劣化の度合いが大きくなるほど、リーン空燃比のときに吸蔵するＯ_２の量が減少し、且つ、リッチ空燃比のときに放出するＯ_２の量が減少する。

次に、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量と還元剤の供給量との関係について説明する。図４は、ＮＯx触媒４が正常な場合であって、該ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されていないときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒４よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。図５は、ＮＯx触媒４が正常な場合であって、該ＮＯx触媒４に所定量のＮＯxが吸蔵されているときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒４よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。図６は、ＮＯx触媒４が劣化している場合であって、該ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されていないときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒４よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。図７は、ＮＯx触媒４が劣化している場合であって、該ＮＯx触媒４に所定量のＮＯxが吸蔵されているときにリッチスパイク制御を実行したときのＮＯx触媒４よりも下流側のＮＨ_３濃度の推移を示したタイムチャートである。

図４から図７において、実線は、排気の空燃比が理論空燃比よりもわずかにリッチ側の所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給した場合を示し、一点鎖線は、排気の空燃比が該所定のリッチ空燃比よりも低くなるように還元剤を供給した場合を示している。ここで、噴射弁５から還元剤を噴射している期間を長くするほど、還元剤の供給量が多くなり、空燃比の低下量は大きくなる。このため、還元剤の噴射期間を調節することにより排気の空燃比を調節することができる。なお、正常な触媒４とは、Ｐｔが劣化しているものの、劣化の度合いが許容範囲内のＮＯx触媒４である。また、劣化しているＮＯx触媒４とは、劣化の度合いが許容範囲を超えたＮＯx触媒４である。

図４及び図５に示されるように、正常なＮＯx触媒４においては、ＮＯxの吸蔵量によらず、前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給するとＮＨ_３の生成量は比較的少なくなる（実線）。一方、正常なＮＯx触媒４においては、ＮＯxの吸蔵量によらず、前記所定のリッチ空燃比よりも低い空燃比となるように還元剤を供給するとＮＨ_３の生成量は比較的多くなる（一点鎖線）。

また、図６に示されるように、劣化しているＮＯx触媒４においては、ＮＯxが吸蔵されていないときに前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給すると、ＮＨ_３の生成量は比較的少なくなる（実線）。しかし、図７に示されるように、劣化しているＮＯx触媒４においては、所定量のＮＯxが吸蔵されているときに前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給すると、ＮＨ_３の生成量は比較的多くなる（実線）。一方、図６及び図７に示されるように、劣化しているＮＯx触媒４においては、ＮＯxの吸蔵量によらず、前記所定のリッチ空燃比よりも低い空燃比となるように還元剤を供給するとＮＨ_３の生成量は比較的多くなる（一点鎖線）。

すなわち、前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給した場合には、ＮＯx触媒４が劣化しており且つＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されているときに限りＮＨ_３の生成量が多くなる。

ここで、ＮＯx触媒４に添加されているＣｅは、リーン空燃比のときにＯ_２を吸蔵し、リッチ空燃比のときにＯ_２を放出する。正常なＮＯx触媒４の場合には、前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給したときに、Ｃｅから放出されるＯ_２と還元剤（ＨＣ，Ｈ_２）とが反応する。このため、ＮＯxと反応する還元剤が不足するので、生成されるＮＨ_３が少なくなると考えられる。

一方、劣化しているＮＯx触媒４の場合には、Ｃｅも劣化しているため、還元剤供給時に放出されるＯ_２が少なくなる。このため、劣化しているＮＯx触媒４では、前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給したときに、還元剤と反応するＯ_２が少ないために、多くの還元剤がＢａに到達する。そして、この還元剤とＢａから放出されるＮＯxとが反応してＮＨ_３が生成される。したがって、ＮＯx触媒４の劣化の度合いが大きくなるほど、Ｂａに到達する還元剤が多くなるため、ＮＨ_３の生成量が多くなる。

したがって、ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されているときに前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給した場合に、ＮＯx触媒４から多くのＮＨ_３が流出すれば、ＮＯx触媒４が劣化していると判定できる。

なお、前記所定のリッチ空燃比は、ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されている場合において、正常なＮＯx触媒４と劣化しているＮＯx触媒４とでＮＨ_３濃度の差が大きくなる空燃比であり、たとえば１４から１４．７の間の値である。すなわち、ＮＯx触媒４の劣化判定を行うときには、排気の空燃比がたとえば１４から１４．７までの間の値となるように還元剤の供給量を調節する。

また、ＮＯx触媒４の劣化判定時には、ＮＯx触媒４にある程度のＮＯxが吸蔵されていなければならない。そこで、ＮＯx触媒４に所定量以上のＮＯxが吸蔵されているときにＮＯx触媒４の劣化判定を行う。この所定量は、たとえば、前記所定のリッチ空燃比としたときに劣化しているＮＯx触媒４であればＮＨ_３が生成されるＮＯxの吸蔵量として予め実験等により求めておく。

ここで、図８は、ＮＯx触媒４のＮＯx吸蔵量及び内燃機関１が搭載される車両の速度の推移を示したタイムチャートである。本実施例では、ＮＯx触媒４の温度が所定温度以上になったときにリッチスパイク制御を開始する。これにより、ＮＯx触媒４の温度を上昇させるための燃料の消費量を低減することができる。すなわち、車速が低いときには、ＮＯx触媒４の温度が比較的低いため、ＮＯx触媒４に還元剤は供給せずに、ＮＯxを吸蔵させている。そして、車速が高くなりＮＯx触媒４の温度が比較的高くなってから還元剤を供給してＮＯxを還元させる。

なお、内燃機関１から単位時間当たりに排出されるＮＯx量（ｍｇ／ｓｅｃ）は、機関回転数及び機関負荷と相関関係にある。このため、単位時間当たりにＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯxの量は、機関回転数及び機関負荷と相関関係にある。すなわち、単位時間当たりにＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯx量は、機関回転数及び機関負荷と相関関係にある。また、ＮＯx触媒４の温度または排気の温度によっても、単位時間当たりにＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯxの量が変わる。したがって、機関回転数、機関負荷、温度と、単位時間当たりにＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯx量との関係を予め実験等により求めてマップ化しておけば、該マップに基づいて、単位時間当たりにＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯx量を求めることができる。そして、この単位時間当たりにＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯxの量を積算していけば、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量（ＮＯx吸蔵量）を算出することができる。

また、上流側ＮＯxセンサ７の出力値に基づいて、ＮＯx触媒４に流入するＮＯx量を算出することができる。また、下流側ＮＯxセンサ８の出力値に基づいて、ＮＯx触媒４から流出するＮＯx量を算出することができる。そして、ＮＯx触媒４に流入するＮＯx量から、ＮＯx触媒４から流出するＮＯx量を減算することで、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量を算出することもできる。なお、上流側ＮＯxセンサ７の出力値に基づいて単位時間当たりにＮＯx触媒４に吸蔵されるＮＯx量を概算することもできる。なお、本実施例においてはＮＯx吸蔵量を算出するＥＣＵ１０が、本発明における吸蔵量検出装置に相当する。

そして、ＮＯx触媒４の温度がＮＯxの還元に適した温度以上となったときに、リッチスパイク制御を実行してＮＯxを還元させる。このときに、ＮＯx吸蔵量が所定量以上であれば、排気の空燃比を前記所定のリッチ空燃比として、ＮＯx触媒４の劣化判定を行うことができる。すなわち、排気の空燃比が前記所定のリッチ空燃比となるように噴射弁５の開弁時間を制御する。そして、このときの下流側ＮＯxセンサ８の検出値に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行う。たとえば、還元剤の供給を開始してから所定期間内における下流側ＮＯxセンサ８の検出値の最大値が閾値以上であれば、ＮＯx触媒４が劣化していると判定される。また、還元剤の供給を開始してからの所定期間における下流側ＮＯxセンサ８の検出値の積算値が閾値以上であれば、ＮＯx触媒４が劣化していると判定してもよい。所定期間は、ＮＨ_３が生成される期間として実験等により求めることができる。

図９は、ＮＯx触媒４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、所定の期間毎にＥＣＵ１０により実行される。

ステップＳ１０１では、ＮＯx触媒４の劣化判定を行う前提条件が成立しているか否か判定される。たとえば下流側ＮＯxセンサ８が正常であり、且つＮＯx触媒４の温度がＮＯxの還元に適した温度となっているときに前提条件が成立していると判定される。下流側ＮＯxセンサ８が正常であるか否かは、周知の技術により行うことができる。また、ＮＯxの還元に適した温度とは、たとえば、ＮＯx触媒４が活性化しているときの温度である。ＮＯx触媒４の温度は、温度センサ９により検出される。

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、リッチスパイク実行条件が成立しているか否か判定される。リッチスパイク実行条件とは、ＮＯx触媒４の劣化判定を行うためのリッチスパイク制御を行う条件である。たとえば、ＮＯx触媒４に所定量以上のＮＯxが吸蔵されているときにリッチスパイク実行条件が成立していると判定される。ここでいう所定量とは、還元剤を供給したときに、劣化判定が可能なほどＮＨ_３が生成される値として予め実験等により求めておく。すなわち、ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されていなければ、ＮＯx触媒４がたとえ劣化していても、ＮＨ_３が生成されない。そうすると劣化判定が困難となるため、所定量以上のＮＯxがＮＯx触媒４に吸蔵されていることを条件としている。

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本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０３では、ＮＯx触媒４の劣化判定用のリッチスパイク制御が行われる。すなわち、理論空燃比よりもわずかにリッチ側の所定のリッチ空燃比となるように還元剤が供給される。

ステップＳ１０４では、下流側ＮＯxセンサ８の検出値の最大値が閾値以上であるか否か判定される。この閾値は、ＮＯx触媒４が劣化しているか否かの境となる検出値であり、予め設定しておく。なお、本ステップでは、下流側ＮＯxセンサ８の検出値の積算値が閾値以上であるか否か判定してもよい。この積算値は、リッチスパイク制御により下流側ＮＯxセンサ８でＮＨ_３が検出されている間の積算値としてもよく、リッチスパイク制御が行われている間の積算値としてもよく、所定の時間の積算値としてもよい。積算値は、たとえば所定の周期で読み込まれる下流側ＮＯxセンサ８の検出値を順次加算していくことにより得る。

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、ＮＯx触媒４は劣化していると判定される。一方、ステップＳ１０４で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、ＮＯx触媒４は正常であると判定される。なお、本実施例においてはステップＳ１０３からステップＳ１０６を処理するＥＣＵ１０が、本発明における判定装置に相当する。

このようにして、所定のリッチ空燃比となるように還元剤を供給しているときの下流側ＮＯxセンサ８の検出値に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことができる。このときには、下流側ＮＯxセンサ８の検出値の最大値が分かればすぐに劣化判定が可能であるため、検出値が安定するまで待ったり、その後にＮＯxが吸蔵されるまで待ったりする必要はない。すなわち、劣化判定を速やかに行うことができる。

なお、本実施例では、所定のリッチ空燃比を目標にリッチスパイク制御を行っているときの下流側ＮＯxセンサ８の検出値の最大値が大きいほど、ＮＯx触媒４の劣化の度合いが高いと判定してもよい。同様に、下流側ＮＯxセンサ８の検出値の積算値が大きいほど、ＮＯx触媒４の劣化の度合いが高いと判定してもよい。

また、本実施例では、下流側ＮＯxセンサ８を用いてＮＨ_３を検出しているが、ＮＨ_３を検出可能な他のセンサを用いることもできる。

１内燃機関
２排気通路
４吸蔵還元型ＮＯx触媒
５噴射弁
７上流側ＮＯxセンサ
８下流側ＮＯxセンサ
９温度センサ
１０ＥＣＵ
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

Claims

内燃機関の排気通路に設けられてＮＯxを吸蔵し、吸蔵していたＮＯxを還元剤の供給により還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を判定する触媒劣化判定システムにおいて、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒へ還元剤を供給することで該吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の排気中のＮＨ_３を検出するＮＨ_３検出装置と、
前記供給装置から還元剤を供給するときに排気の空燃比が所定のリッチ空燃比となるように還元剤量を調節する制御装置と、
排気の空燃比が前記所定のリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ還元剤を供給したときの前記ＮＨ_３検出装置の検出値が閾値以上となるときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定する判定装置と、
を備える触媒劣化判定システム。
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量を検出または推定する吸蔵量検出装置を備え、
前記判定装置は、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化しているか否かの判定を、前記吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxの量が所定量以上のときに行う請求項１に記載の触媒劣化判定システム。
前記判定装置は、前記ＮＨ_３検出装置の検出値の最大値が閾値以上のときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定する請求項１または２に記載の触媒劣化判定システム。
前記判定装置は、前記ＮＨ_３検出装置の検出値の積算値が閾値以上のときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定する請求項１または２に記載の触媒劣化判定システム。
前記制御装置は、排気の空燃比が１４から１４．７の間の値となるように還元剤量を調節する請求項１から４の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。
前記ＮＨ_３検出装置は、排気中のＮＯx及びＮＨ_３を検出するＮＯxセンサである請求項１から５の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。