JP2016079852A - 内燃機関の排気浄化装置の異常判定システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を備えている場合において、ＳＣＲ触媒の異常判定をコストアップを抑制しつつ、より正確に行う。
【解決手段】内燃機関の排気通路に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）と、選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）と、ＮＯｘセンサと、を順に備え、ＳＣＲ触媒への還元剤の供給を停止すると共に、ＳＣＲ触媒に吸着されている還元剤の量を推定し、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまでリッチスパイクを複数回実施し、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまでに実施したリッチスパイクの回数がＳＣＲ触媒に吸着されている還元剤量に基づいて設定される所定回数未満の場合に、ＳＣＲ触媒が異常であると判定する。
【選択図】図４

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置の異常判定システムに関する。

内燃機関の排気通路に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＮＳＲ触媒ともいう。）を配置する技術が知られている。このＮＳＲ触媒は、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。

また、ＮＳＲ触媒よりも下流側に、選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、ＳＣＲ触媒ともいう。）を設けることができる。このＳＣＲ触媒は、還元剤によりＮＯｘを選択還元する触媒である。ここで、ＮＳＲ触媒において排気中のＨＣやＨ_２がＮＯｘと反応することでアンモニア（ＮＨ_３）が生成される。このアンモニアは、ＳＣＲ触媒において還元剤として利用することができる。

ここで、ＮＳＲ触媒の下流にＳＣＲ触媒を備え、ＳＣＲ触媒の劣化を推定し、ＳＣＲ触媒が劣化している場合にはＮＳＲ触媒の温度を基準温度域よりも低い所定の低温度域へと変更する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、ＮＳＲ触媒におけるアンモニア（ＮＨ_３）の生成量が基準温度域の場合に比して増大するため、劣化後のＳＣＲ触媒には多量のアンモニアが供給されることとなる。これにより、ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化率の低下が抑制されるので、ＮＳＲ触媒とＳＣＲ触媒との組み合わせによって高いＮＯｘ浄化率を維持することができる。

特開２０１２−１７２５４５号公報 特開２０１１−２４１６８６号公報

ところで、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒には、夫々、ＮＯｘを浄化可能な温度領域（以下、温度ウィンドウとも称する。）が存在する。ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒は、夫々の温度が温度ウィンドウ内の場合に活性化してＮＯｘを浄化可能となる。そして、一方の触媒の温度が温度ウィンドウ内であっても、他方の触媒の温度が温度ウィンドウ外となる場合がある。例えば、内燃機関の低負荷運転領域ではＮＳＲ触媒のみが活性化し、高負荷運転領域ではＳＣＲ触媒のみが活性化し、中負荷運転領域ではＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の両方が活性化する。ここで、ＳＣＲ触媒よりも下流の排気通路にＮＯｘセンサを設け、該ＮＯｘセンサの検出値に基づいてＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の異常を判定することが考えられる。しかし、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の両方が活性化している場合には、どちらの触媒が異常であっても同程度にＳＣＲ触媒からＮＯｘが流出し得るため、ＮＯｘセンサの検出値のみを用いて触媒の異常を判定することは困難である。

また、一方の触媒のみが活性化している場合に触媒の異常判定を行うことにより、どちらの触媒が異常であるのか判定することも考えられるが、一方の触媒のみが活性している運転状態とならなければ、触媒の異常判定を行うことができない。

さらに、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒の夫々の下流の排気通路にＮＯｘセンサを設けるこ
とにより、夫々のＮＯｘセンサの検出値に基づいて触媒の異常を判定することができるが、ＮＯｘセンサを複数取り付けることによりコストアップする。また、ＮＯｘセンサを複数取り付けることが困難な場合もある。

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、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を備えている場合において、ＳＣＲ触媒の異常判定をコストアップを抑制しつつ、より正確に行うことになる。

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、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いときにＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを排気の空燃比が理論空燃比以下のときに還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、還元剤により排気中の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触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に設けられ前記選択還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤添加弁と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも高い空燃比と理論空燃比以下とで変動させる空燃比低下部と、
を備えた内燃機関に備わる排気装置における異常判定システムにおいて、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、夫々の触媒の活性化温度である場合に、前記還元剤添加弁からの還元剤の供給を停止すると共に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されている還元剤の量を推定し、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまで前記空燃比低下部により空燃比を複数回低下させ、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまでの前記空燃比低下部により空燃比を低下させた回数が前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されている還元剤量に基づいて設定される所定回数未満の場合に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定する判定部を備える。

空燃比低下部により空燃比を低下させる度に、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）で還元しきれなかったＮＯｘが該ＮＳＲ触媒から流出する。このＮＳＲ触媒から流出するＮＯｘにより選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）に吸着されている還元剤が消費される。すなわち、還元剤添加弁からの還元剤の供給を停止することにより、ＳＣＲ触媒における還元剤吸着量は、空燃比を低下する毎に減少する。さらに、還元剤添加弁からの還元剤の供給を停止していると、空燃比を低下していない場合であっても、ＮＳＲ触媒から流出するＮＯｘにより、ＳＣＲ触媒における還元剤吸着量が減少していく。なお、空燃比を低下したときにＮＳＲ触媒においてアンモニアが生成され、このアンモニアがＳＣＲ触媒に吸着されるため、ＳＣＲ触媒における還元剤吸着量が一時的に増加し得るが、全体的にはアンモニア吸着量は減少していく。

このように、還元剤添加弁からの還元剤の供給を停止することにより、ＳＣＲ触媒の還元剤吸着量が減少していくため、最終的にはＳＣＲ触媒においてＮＯｘを還元することが困難となり、該ＳＣＲ触媒からＮＯｘが流出するようになる。このＮＯｘが流出する時期は、ＳＣＲ触媒が異常の場合には、正常の場合よりも早い。そして、ＳＣＲ触媒が異常の場合には、還元剤添加弁からの還元剤の供給を停止してからＮＯｘが流出するまでの空燃比を低下した回数がより少なくなる。したがって、還元剤添加弁からの還元剤の供給を停止してから、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまでの間に、空燃比を低下した回数が所定回数未満の場合には、ＳＣＲ触媒が異常であると判定する
ことができる。

なお、所定濃度は、ＳＣＲ触媒においてＮＯｘを浄化することができないほど還元剤吸着量が減少しているときの該ＳＣＲ触媒よりも下流のＮＯｘ濃度とすることができる。また、所定回数は、ＳＣＲ触媒が正常である場合の回数の下限値とすることができる。

本発明によれば、ＮＳＲ触媒及びＳＣＲ触媒を備えている場合において、ＳＣＲ触媒の異常判定をコストアップを抑制しつつ、より正確に行うことができる。

実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。 リッチスパイクを複数回実施した時の空燃比とＮＳＲ触媒よりも下流のＮＯｘ濃度との関係を示した図である。 異常判定制御時の各種値の推移を示したタイムチャートである。 異常判定制御のフローを示したフローチャートである。

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＞
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系との概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、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は、たとえば車両に搭載される。

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、上流側から順に、燃料添加弁３、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４（以下、ＮＳＲ触媒４という。）、還元剤添加弁５、選択還元型ＮＯｘ触媒６（以下、ＳＣＲ触媒６という。）が備えられている。

ＮＳＲ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。なお、「吸蔵」とは、一時的なＮＯｘの吸着をも含む用語として使用している。

燃料添加弁３は、排気中に内燃機関１の燃料（ＨＣ）を噴射する。この燃料は、ＮＳＲ触媒４においてＮＯｘを還元する還元剤として利用される。なお、ＮＳＲ触媒４に供給する還元剤には、内燃機関１から排出される未燃燃料であるＨＣまたはＣＯを利用することもできる。すなわち、内燃機関１をリッチ空燃比で運転することにより、ＮＳＲ触媒４へ還元剤を供給することもできる。この場合には、燃料添加弁３を備える必要はない。

ＳＣＲ触媒６は、アンモニアを吸着しておき、ＮＯｘが通過するときに、吸着していたアンモニアによりＮＯｘを選択還元する。還元剤添加弁５は、アンモニアを噴射することで、ＳＣＲ触媒６に還元剤を供給する。なお、還元剤添加弁５は、尿素水を噴射してもよい。還元剤添加弁５から噴射された尿素水は、排気の熱またはＳＣＲ触媒６からの熱により加水分解されてアンモニアとなり、ＳＣＲ触媒６に吸着する。すなわち、還元剤添加弁５からは、アンモニアの前駆体、または、アンモニアを供給すればよい。なお、本実施例
においては、還元剤添加弁５からアンモニアを供給するものとして説明する。

また、ＮＳＲ触媒４よりも下流で且つ還元剤添加弁５よりも上流の排気通路２には、排気の温度を検出する温度センサ１１が取り付けられている。温度センサ１１の検出値に基づいて、ＮＳＲ触媒４の温度又はＳＣＲ触媒６の温度を算出することができる。また、温度センサ１１の検出値をＮＳＲ触媒４又はＳＣＲ触媒６の温度としてもよい。また、内燃機関１の運転状態に基づいて、ＮＳＲ触媒４又はＳＣＲ触媒６の温度を推定することもできる。また、ＳＣＲ触媒６よりも下流の排気通路には、排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１２が取り付けられている。ＮＯｘセンサ１２により、ＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度が検出される。なお、ＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度は、内燃機関１の運転状態と関連しているため、内燃機関１の運転状態に基づいてＮＳＲ触媒４に流入する排気中のＮＯｘ濃度を推定することができる。

また、内燃機関１には、内燃機関１へ燃料を供給する燃料噴射弁７が取り付けられている。さらに、内燃機関１には、吸気通路８が接続されている。吸気通路８の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル９が設けられている。また、スロットル９よりも上流の吸気通路８には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１５が取り付けられている。

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を制御する。ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１６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１７、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１８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。一方、ＥＣＵ１０には、燃料添加弁３、還元剤添加弁５、燃料噴射弁７及びスロットル９が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

例えばＥＣＵ１０は、気筒内の空燃比が目標空燃比となるように燃料噴射弁７を制御する。この目標空燃比は、内燃機関１の運転状態に応じて設定される空燃比である。なお、本実施例に係る内燃機関１は、通常はリーン空燃比で運転されている。ただし、高負荷運転時などにおいて、理論空燃比近傍で内燃機関１が運転されることもある。また、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘを還元するために理論空燃比以下で運転することもある。

ＥＣＵ１０は、ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘを還元する処理を実施する。ＮＳＲ触媒４に吸蔵されているＮＯｘを還元する時には、ＥＣＵ１０は、燃料添加弁３から添加する燃料の量を調整することにより、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させる所謂リッチスパイクを実施する。ＥＣＵ１０は、燃料噴射弁７から噴射する燃料の量またはスロットル９の開度を調整することにより、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を所定のリッチ空燃比まで低下させることでリッチスパイクを実施してもよい。なお、本実施例においてはリッチスパイクを実施するＥＣＵ１０が、本発明における空燃比低下部に相当する。

リッチスパイクは、通常、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量が規定量となったときに、その規定量のＮＯｘを還元できるように実施される。通常とは、後述する触媒の異常判定制御を実施していないときとしてもよい。ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量は、内燃機関１から単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量を積算することにより推定することができる。このときには、ＮＳＲ触媒４が正常であると仮定した推定が行われる。内燃機関１から単位時間当たりに排出されるＮＯｘ量は、内燃機関１の運転状態と関連しているため、該内燃機関１の運転状態に基づいて推定する。なお、ＮＳＲ触媒４よりも上流の排気通
路２にＮＯｘ濃度を検出するセンサを設け、該センサにより検出されるＮＯｘ濃度と、エアフローメータ１５により検出される吸入空気量と、に基づいて、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量を算出することもできる。ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量と、リッチスパイクを実施する期間と、の関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

さらに、ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒６を通過する排気中のＮＯｘを還元する処理を実施する。ＥＣＵ１０は、ＳＣＲ触媒６を通過する排気中のＮＯｘを還元する時に、還元剤添加弁５からアンモニアを添加することで、ＳＣＲ触媒６に還元剤を供給する。

還元剤添加弁５からのアンモニアの添加量は、通常、ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量に応じて決定される。ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量は、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量に等しい。したがって、ＮＳＲ触媒４に流入するＮＯｘ量と、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率と、に基づいてＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ量を求め、この値をＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量とすることができる。ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ浄化率は、ＮＳＲ触媒４が正常であると仮定して推定する。還元剤添加弁５からのアンモニアの添加は、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアの吸着量が一定となるように実施される。このアンモニア吸着量は、ＳＣＲ触媒６のＮＯｘ浄化率が許容範囲となり、且つ、ＳＣＲ触媒６からアンモニアが流出しないような量である。ＳＣＲ触媒６に流入するＮＯｘ量に基づいて、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアの吸着量の減少量を算出することができるため、このアンモニアの吸着量の減少量を補うように、還元剤添加弁５からアンモニアを添加する。なお、このときのアンモニアの吸着量は、ＳＣＲ触媒６が正常であると仮定したときの値である。また、リッチスパイクを実施することによりＮＳＲ触媒４からアンモニアが流出することがある。このアンモニアもＳＣＲ触媒６に吸着されるため、リッチスパイク時にはＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量が増加する。この増加量は、予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。

なお、本実施例では、ＮＳＲ触媒４の温度及びＳＣＲ触媒６の温度が両方ともＮＯｘを浄化可能な温度の範囲内である場合において、ＳＣＲ触媒６の異常判定を実施するため、ＮＳＲ触媒４の温度及びＳＣＲ触媒６の温度が両方ともＮＯｘを浄化可能な温度の範囲内であることを前提としている。

ここで、リッチスパイクを実施すると、ＮＳＲ触媒４から放出されたＮＯｘが還元される前に該ＮＳＲ触媒４から流出することがある。図２は、リッチスパイクを複数回実施した時の空燃比とＮＳＲ触媒４よりも下流のＮＯｘ濃度との関係を示した図である。リッチスパイク直後には、ＮＳＲ触媒４から多くのＮＯｘが放出されるが、その一部が還元されないままＮＳＲ触媒４から流出する。このＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘは、ＳＣＲ触媒６により還元される。しかし、ＳＣＲ触媒６が異常の場合には、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘをＳＣＲ触媒６で還元することが困難となる虞がある。

本実施例では、リッチスパイク時にＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘを還元するために、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニア吸着量が減少することを利用して、ＳＣＲ触媒６の異常判定を実施する。ここで、ＳＣＲ触媒６の異常判定を実施するときには、還元剤添加弁５からのアンモニアの添加を停止させ、リッチスパイクのみを実施する。このときのリッチスパイクの間隔は、上記したように、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量が規定量となったときに、その規定量のＮＯｘを還元できるように実施される。そうすると、リッチスパイクが実施される度に、ＮＳＲ触媒４からＮＯｘが流出し、このＮＯｘがＳＣＲ触媒６に流入する。還元剤添加弁５からのアンモニアの添加は停止されているため、リッチスパイクが実施される度に、ＳＣＲ触媒４に吸着されているアンモニア量が大きく減少する。また、リッチスパイクを実施していない場合においても、ＮＳＲ触媒４からＮＯｘが流出
することがあり、このＮＯｘによってもＳＣＲ６のアンモニア吸着量が減少する。そして、リッチスパイクを繰り返し行うことにより、ＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量がＮＯｘを浄化させるのに必要となるアンモニア量よりも少なくなると、ＳＣＲ触媒６においてＮＯｘを還元することが困難となってＳＣＲ触媒６からＮＯｘが流出するため、ＮＯｘセンサ１２の検出値が上昇する。

ここで、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアの吸着量は、ＳＣＲ触媒６の劣化の度合いに応じて減少する。なお、ＳＣＲ触媒６の劣化の度合いが許容範囲よりも高くなった場合に、ＳＣＲ触媒６が異常であると判定される。ＳＣＲ触媒６が異常であれば、異常判定制御を開始した時点にＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量が比較的少ないため、リッチスパイクを複数回行ったときに、比較的早い時期にＳＣＲ触媒６においてアンモニアを使い切ってしまうため、比較的早い時期にＳＣＲ触媒６からのＮＯｘ流出量が増加する。したがって、異常判定制御を開始した時点から、ＳＣＲ触媒６から流出する排気中のＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまでにリッチスパイクを実施した回数が少ないほど、ＳＣＲ触媒６の劣化の度合いが高いと考えられる。そして、この回数が、所定回数未満であれば、ＳＣＲ触媒６が異常であると判定することができる。所定回数は、ＳＣＲ触媒６が正常である場合に、ＳＣＲ触媒６よりも下流の排気中のＮＯｘ濃度が所定濃度となるまでのリッチスパイクの回数の下限値として予め実験またはシミュレーション等により求めることができる。なお、所定回数は、ＳＣＲ触媒６が正常であると仮定したときのアンモニア吸着量によって変わり得るため、該アンモニア吸着量に応じて変化させてもよい。所定回数と、アンモニア吸着量との関係は、予め実験またはシミュレーションにより求めることができる。また、還元剤添加弁５からのアンモニアの添加は、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニアの吸着量が目標値で一定となるように実施されるため、異常判定制御開始時点におけるＳＣＲ触媒６のアンモニア吸着量は、目標値としてもよい。この場合のアンモニア吸着量は、ＳＣＲ触媒６が正常であるものとして算出される。なお、ＮＳＲ触媒４が正常であることは、別途周知の技術により確認しておいてもよい。また、所定濃度は、ＳＣＲ触媒６におけるアンモニア吸着量が不足しているときのＮＯｘ濃度とすることができる。なお、ＮＯｘセンサ１２の検出値が上昇したことで、ＮＯｘ濃度が所定濃度以上になったと判定してもよい。

図３は、異常判定制御時の各種値の推移を示したタイムチャートである。「空燃比」は、ＮＳＲ触媒４に流入する排気の空燃比を示しており、「ＮＯｘセンサ検出値（触媒取り外し）」は、ＳＣＲ触媒６が取り外されているときのＮＯｘセンサ１２の検出値を示し、「ＮＯｘセンサ検出値（ＳＣＲ異常）」は、ＳＣＲ触媒６が異常のときのＮＯｘセンサ１２の検出値を示し、「ＮＯｘセンサ検出値（ＳＣＲ正常）」は、ＳＣＲ触媒６が正常のときのＮＯｘセンサ１２の検出値を示し、「ＮＳＲ触媒流出ＮＯｘ」は、ＮＳＲ触媒４から流出する排気中のＮＯｘ濃度を示し、「ＮＳＲ触媒流出ＮＨ３」は、ＮＳＲ触媒４から流出する排気中のアンモニア濃度を示し、「ＳＣＲ触媒吸着量（ＳＣＲ正常）」は、ＳＣＲ触媒６が正常のときのＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量を示し、「ＳＣＲ触媒吸着量（ＳＣＲ異常）」は、ＳＣＲ触媒６が異常のときのＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量を示している。また、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３は、夫々リッチスパイクが開始される時点を示している。さらに、図３における閾値は、ＳＣＲ触媒６におけるＮＯｘ浄化率が許容範囲となるアンモニア吸着量の下限値である。

異常判定制御時には、還元剤添加弁５からのアンモニアの添加は停止されている。このため、ＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量は、ＳＣＲ触媒６が正常であっても、または、異常であっても、徐々に低下する。ここで、リッチスパイクを実施すると、ＮＳＲ触媒４において還元しきれなかったＮＯｘが、該ＮＳＲ触媒４から流出する。また、リッチスパイクを実施すると、ＮＳＲ触媒４においてアンモニアが生成されるため該ＮＳＲ触媒４からアンモニアが流出する。このようにＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘ及びアン
モニアは、ＳＣＲ触媒６に流入する。

ここで、ＳＣＲ触媒６が取り外されている場合には、ＮＳＲ触媒４に流出するＮＯｘ及びアンモニアがそのままＮＯｘセンサ１２に検出される。このため、リッチスパイクを実施する毎に、ＮＯｘ及びアンモニアに対応してＮＯｘセンサ１２の検出値が大きくなる。

また、ＳＣＲ触媒６が正常の場合及び異常の場合には、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘがＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニアによって還元される。さらにＮＳＲ触媒４から流出するアンモニアがＳＣＲ触媒６に吸着される。このため、ＳＣＲ触媒６が正常の場合及び異常の場合には、ＮＯｘを還元し得る量のアンモニアがＳＣＲ触媒６に吸着されている間は、該ＳＣＲ触媒６からＮＯｘ及びアンモニアの流出が抑制されるため、ＮＯｘセンサ１２の検出値はほとんど変化しない。しかし、還元剤添加弁５からのアンモニアの添加が停止されているため、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘを還元するためにＳＣＲ触媒６においてアンモニアが消費されると、ＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量が徐々に減少する。ＳＣＲ触媒６が異常の場合には、正常の場合よりも、吸着可能なアンモニア量が少ないため、ＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘの還元に必要となるアンモニアが早期に不足する。図３においては、ＳＣＲ触媒６が異常の場合に、３回目のリッチスパイクを実施した時点Ｒ３の直後に、ＮＯｘセンサ１２の検出値が上昇している。すなわち、ＳＣＲ触媒６においてアンモニアが不足したために、ＳＣＲ触媒６でＮＯｘを浄化し切れずになって、該ＳＣＲ触媒６からＮＯｘが流出している。

このように、還元剤添加弁５からのアンモニアの添加を停止してリッチスパイクを実施すれば、ＳＣＲ触媒６が正常の場合よりも異常の場合のほうが、ＮＯｘセンサ１２の検出値が上昇するまでのリッチスパイクの回数が少なくなる。そして、ＳＣＲ触媒６が正常の場合のＮＯｘセンサ１２の検出値が所定ＮＯｘ濃度まで上昇するまでのリッチスパイクの回数を所定回数として設定しておけば、ＮＯｘセンサ１２の検出値が所定濃度以上となるまでのリッチスパイクの回数が、所定回数未満の場合にＳＣＲ触媒６が異常であり、所定回数以上の場合にＳＣＲ触媒６が正常であると判定することができる。

図４は、異常判定制御のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、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４に示すフローチャートを実施するＥＣＵ１０が、本発明における判定部に相当する。

ステップＳ１０１では、異常判定制御を実施する前提条件が成立しているか否か判定される。本ステップＳ１０１では、ＮＳＲ触媒４の温度及びＳＣＲ触媒６の温度が、ＮＯｘを浄化可能な温度であるか否か判定される。また、ＮＳＲ触媒４が正常であることも合わせて判定してもよい。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フローチャートを終了させる。

ステップＳ１０２では、還元剤添加弁５からの還元剤の添加を停止させる。すなわち、リッチスパイクを複数回実施したときにＳＣＲ触媒６に吸着されているアンモニア量が速やかに減少するようにしている。ステップＳ１０２の処理が終了するとステップＳ１０３へ進む。

ステップＳ１０３では、ＳＣＲ触媒６における還元剤吸着量が推定される。本ステップＳ１０３では、上記所定回数を決定するために還元剤吸着量を推定している。このときの還元剤吸着量は、ＳＣＲ触媒６が正常であると仮定した場合の値である。なお、異常判定制御を実施していないときには、ＳＣＲ触媒６の還元剤吸着量が目標値で一定となるように還元剤を添加しているため、本ステップＳ１０３では、還元剤吸着量が目標値であるとしてもよい。また、還元剤吸着量が目標値となるように還元剤の添加が実施された後に本
フローチャートを開始してもよい。さらに、周知の技術を用いて還元剤吸着量を推定してもよい。ステップＳ１０３の処理が終了するとステップＳ１０４へ進む。

ステップＳ１０４では、リッチスパイクを実施する時期であるか否か判定される。すなわち、ＮＳＲ触媒４におけるＮＯｘ吸蔵量が規定量に達したか否か判定される。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ステップＳ１０４が再度処理される。

ステップＳ１０５では、リッチスパイクが実施される。これにより、ＮＳＲ触媒４からＮＯｘ及びアンモニアが流出する。

ステップＳ１０６では、リッチスパイクの回数がカウントされる。なお、本フローチャートを開始するとき、又は、終了するときには、リッチスパイクの回数がリセットされて０となる。

ステップＳ１０７では、ＮＯｘセンサ１２により検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上であるか否か判定される。所定濃度は、ＳＣＲ触媒６において還元剤が不足していると考えられる場合のＮＯｘ濃度であり、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。なお、本ステップＳ１０７では、上記判定に代えて、ＮＯｘ濃度が上昇しているか否か判定してもよい。ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ戻る。

ステップＳ１０８では、実施されたリッチスパイクの回数が所定回数以上であるか否か判定される。所定回数は、ＳＣＲ触媒６が正常である場合のリッチスパイクの回数として予め実験またはシミュレーション等により求めておく。ステップＳ１０８で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進んでＳＣＲ触媒６が正常であると判定され、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１１０へ進んでＳＣＲ触媒６が異常であると判定される。

以上説明したように本実施例によれば、リッチスパイク時にＮＳＲ触媒４から流出するＮＯｘを利用してＳＣＲ触媒６の異常判定を実施することができる。また、ＳＣＲ触媒６よりも下流に備えた１つのＮＯｘセンサ１２の検出値に基づいて異常判定を実施することができるため、ＳＣＲ触媒６よりも上流側にＮＯｘセンサを備える必要がないので、コストアップを抑制できる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 燃料添加弁
４ 吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）
５ 還元剤添加弁
６ 選択還元型ＮＯｘ触媒（ＳＣＲ触媒）
７ 燃料噴射弁
８ 吸気通路
９ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 温度センサ
１２ ＮＯｘセンサ
１５ エアフローメータ
１６ アクセルペダル
１７ アクセル開度センサ
１８ クランクポジションセンサ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ、排気の空燃比が理論空燃比よりも高いときにＮＯｘを吸蔵し、吸蔵したＮＯｘを排気の空燃比が理論空燃比以下のときに還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ、還元剤により排気中の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触媒から流れ出る排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサと、
   前記選択還元型ＮＯｘ触媒よりも上流の排気通路に設けられ前記選択還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する還元剤添加弁と、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ流入する排気の空燃比を理論空燃比よりも高い空燃比と理論空燃比以下とで変動させる空燃比低下部と、
   を備えた内燃機関に備わる排気装置における異常判定システムにおいて、
   前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒の温度が、夫々の触媒の活性化温度である場合に、前記還元剤添加弁からの還元剤の供給を停止すると共に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されている還元剤の量を推定し、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまで前記空燃比低下部により空燃比を複数回低下させ、前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度が所定濃度以上となるまでの前記空燃比低下部により空燃比を低下させた回数が前記選択還元型ＮＯｘ触媒に吸着されている還元剤量に基づいて設定される所定回数未満の場合に、前記選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定する判定部を備える内燃機関の排気浄化装置の異常判定システム。

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