JP2016079903A - 内燃機関の排気浄化装置の故障判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の添加弁を個別に制御できない場合において、コストアップを抑制しつつどの選択還元型ＮＯｘ触媒に異常があるのかを精度よく判定する。
【解決手段】第一添加弁と、第一選択還元型ＮＯｘ触媒と、第二添加弁と、第二選択還元型ＮＯｘ触媒と、ＮＯｘセンサと、を排気通路に順に備え、触媒の異常判定を行うときには、第一選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて決定した還元剤の供給量よりも、第一添加弁及び第二添加弁からの還元剤の供給量を増加させ、第一添加弁及び第二添加弁からの還元剤の供給量を増加させた時点から所定時間の経過時にＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率が、判定閾値以上であれば第一選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であり、判定閾値未満であれば第二選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定する。
【選択図】図７

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置の故障判定装置に関する。

内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを、アンモニアを還元剤として使用することで浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）が知られている。このＮＯｘ触媒よりも上流側には、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体を供給する添加弁等が設置される。アンモニアの前駆体としては、尿素を例示できる。以下、アンモニアの前駆体またはアンモニアをまとめて「還元剤」ともいう。

ここで、内燃機関の排気通路にＮＯｘ触媒を直列に２つ設け、且つ、夫々のＮＯｘ触媒の上流に還元剤を添加する添加弁等を備えることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１１−２０２６２０号公報

ここで、ＮＯｘ触媒及び添加弁を複数備える場合に、夫々の添加弁を個別に制御しようとすると制御が複雑になる虞がある。一方、同じ制御で夫々の添加弁を操作することにより制御を簡素化することができる。しかし、添加弁を個別に制御することができない場合には、一方のＮＯｘ触媒に異常があっても、どちらのＮＯｘ触媒に異常があるのか判定することが困難となる。すなわち、どちらのＮＯｘ触媒に異常があったとしても、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が同じように低下するため、ＮＯｘ浄化率に基づいてどちらのＮＯｘ触媒に異常があるのか判定することは困難である。また、夫々のＮＯｘ触媒の下流側にＮＯｘセンサを設けることにより、夫々のＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率を算出することができるため、この場合にはどちらのＮＯｘ触媒が異常であるか判定することができる。しかし、この場合にはＮＯｘセンサを複数取り付ける必要があるため、コストアップとなる。

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、複数の添加弁を個別に制御できない場合において、コストアップを抑制しつつどの選択還元型ＮＯｘ触媒に異常があるのかを精度よく判定することにある。

上記課題を解決するために本発明は、内燃機関の排気通路に設けられ該排気通路内に還元剤を供給する第一添加弁と、前記第一添加弁よりも下流の排気通路に設けられ吸着している還元剤によりＮＯｘを選択還元する第一選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ該排気通路内に還元剤を供給する第二添加弁と、前記第二添加弁よりも下流の排気通路に設けられ吸着している還元剤によりＮＯｘを選択還元する第二選択還元型ＮＯｘ触媒と、前記第二選択還元型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、還元剤の供給に異常が生じているかを判定する供給異常判定手段と、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて還元剤の供給量を決定し、前記第一添加弁及び前記第二添加弁を同じ指示により操作する制御装置と、を備え、前記供給異常判定手段により還元剤の供給に異常が生じてい
ないと判定された場合に、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒の異常か、前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒の異常か、を判定する内燃機関の排気浄化装置の故障判定装置であって、前記制御装置は、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒及び前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒が正常であるか否の判定を行うときには、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて決定した還元剤の供給量よりも、前記第一添加弁及び前記第二添加弁からの還元剤の供給量を増加させ、前記第一添加弁及び前記第二添加弁からの還元剤の供給量を増加させた時点から所定時間の経過時に前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率が、判定閾値以上であれば前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であり、前記判定閾値未満であれば第二選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定する。

本発明に係る第一選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、第一ＮＯｘ触媒ともいう。）または第二選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、第二ＮＯｘ触媒ともいう。）の異常とは、該第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒の一方の触媒の何れか一方の触媒のＮＯｘ浄化率が許容値未満となること、または、第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒の何れか一方の触媒が取り外されたことをいう。第一添加弁及び第二添加弁は、排気中に例えば尿素水またはアンモニアを還元剤として供給する。

第一添加弁及び第二添加弁は制御装置により同じ指示により操作されるため、両添加弁で同じ制御が行われる。このため、夫々の添加弁を個別に制御することはできない。内燃機関から排出されるＮＯｘ量に応じた還元剤を第一添加弁及び第二添加弁から供給するような通常の制御（以下、通常制御という。）を行うように第一添加弁及び第二添加弁を操作した場合には、どちらのＮＯｘ触媒が異常であっても、システム全体のＮＯｘ浄化率が低下する。なお、通常制御を行うときの還元剤供給量は、システムが正常である場合において、第一ＮＯｘ触媒及び第二ＮＯｘ触媒が吸着している還元剤量に基づいて、ＮＯｘ浄化率が目標範囲内となるように決定される。この通常制御が行われている場合には、一方のＮＯｘ触媒が異常であっても他方のＮＯｘ触媒でＮＯｘを浄化することができるため、システム全体としてのＮＯｘ浄化率は０にはならない。さらに、第一ＮＯｘ触媒が異常であっても、または、第二ＮＯｘ触媒が異常であっても、同じようなＮＯｘ浄化率になり得る。したがって、通常制御を行っているときには、第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒のどちらの触媒が異常であるのかＮＯｘ浄化率に基づいて判定することが困難となる。

本発明では、第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒のどちらの触媒が異常であるのかを判定するために、還元剤供給量を通常制御よりも増加させたときのＮＯｘ浄化率に着目した。なお、増加後の還元剤供給量を以下では「判定供給量」という。このときのＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率であり、システム全体としてのＮＯｘ浄化率をいう。ＮＯｘ浄化率は、第一ＮＯｘ触媒に流入する排気中のＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度と、に基づいて算出することができる。

ここで、第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒が異常の場合には、異常の触媒に判定供給量の還元剤を供給することにより、該異常の触媒においては早期に還元剤に関する平衡状態となる。なお、還元剤に関する平衡状態とは、触媒において還元剤の吸着量と脱離量とが等しくなった状態をいい、触媒に還元剤を供給しても還元剤吸着量が増加しない状態をいう。異常の触媒において還元剤に関する平衡状態となった後には、還元剤を供給しても異常の触媒においては還元剤の吸着量が増加せず、触媒から還元剤が流出する。一方、正常の触媒においては、異常の触媒よりも吸着し得る還元剤量が多いため、還元剤供給量を増加しても、その増加の影響が表れるまでの時間が異常の触媒よりも長くなる。

すなわち、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合には、判定供給量の還元剤を供給することによ
り、第一ＮＯｘ触媒から早期に還元剤が流出する。しかし、第二ＮＯｘ触媒は正常であるため、第一ＮＯｘ触媒から流出する還元剤及び第二添加弁から供給される還元剤が第二ＮＯｘ触媒に吸着される。このため、第二ＮＯｘ触媒から還元剤が流出するまでには、ある程度の時間がかかる。ここで、ＮＯｘセンサは、ＮＯｘのほかにアンモニアも検出するため、排気中にアンモニアが存在していると、ＮＯｘセンサの検出値が大きくなる。このＮＯｘセンサの検出値に基づいてＮＯｘ浄化率を算出すると、ＮＯｘ浄化率が、見かけ上、低くなってしまう。したがって、第二ＮＯｘ触媒から還元剤が流出すると、ＮＯｘセンサの検出値に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率は低下する。第二ＮＯｘ触媒から還元剤が流出するまでの時間が比較的長ければ、ＮＯｘ浄化率が低下するまでの時間も比較的長くなる。

一方、第二ＮＯｘ触媒が異常の場合には、判定供給量の還元剤を供給することにより、第二ＮＯｘ触媒から早期に還元剤が流出する。そして、この第二ＮＯｘ触媒から流出する還元剤は、ＮＯｘセンサに検出される。このため、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合よりも第二ＮＯｘ触媒が異常の場合のほうが、ＮＯｘセンサにより還元剤が検出されるまので時間が短い。したがって、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合よりも、第二ＮＯｘ触媒が異常の場合のほうが、ＮＯｘ浄化率が低下するまでの時間が短い。

このように、第一添加弁及び第二添加弁からの還元剤の供給量を増加させた時点（以下、指示時点ともいう。）から所定時間の経過時には、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合と、第二ＮＯｘ触媒が異常の場合とで、ＮＯｘ浄化率に差が生じる。したがって、このときのＮＯｘ浄化率に基づいて、第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒のどちらの触媒が異常であるのか判定することができる。

なお、所定時間は、指示時点から、第一ＮＯｘ触媒が異常である場合と、第二ＮＯｘ触媒が異常である場合と、でＮＯｘ浄化率に差が生じるまでの時間とすることができる。例えば、所定時間は、指示時点から、異常の触媒において還元剤に関する平衡状態になるまでの時間としてもよい。この所定時間は、判定供給量によって変えてもよい。例えば判定供給量が多いほど、異常触媒において還元剤に関する平衡状態に達するまでの時間が短くなるため、所定時間を短くしてもよい。

ここで、第一ＮＯｘ触媒に異常がある場合において、還元剤供給量を判定供給量としてから所定時間経過後には、第一ＮＯｘ触媒から流出した還元剤が第二ＮＯｘ触媒に吸着されるため、第二ＮＯｘ触媒から還元剤が流出することによるＮＯｘ浄化率の低下はほとんどない。また、第一ＮＯｘ触媒に異常があったとしても、第一ＮＯｘ触媒及び第二ＮＯｘ触媒には過剰の還元剤が供給されるため、各触媒におけるＮＯｘ浄化率が上昇し得る。

一方、第二ＮＯｘ触媒に異常がある場合にはおいて、還元剤供給量を判定供給量としてから所定時間経過後には、第二ＮＯｘ触媒から流出した還元剤がＮＯｘセンサに検出されるため、ＮＯｘ浄化率が低下する。なお、還元剤の過剰供給によるＮＯｘ浄化率の上昇分よりも、第二ＮＯｘ触媒から還元剤が流出することによるＮＯｘ浄化率の低下分のほうが大きい。

このように、還元剤供給量を判定供給量としてから所定時間経過後のＮＯｘ浄化率は、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合には比較的高くなり、第二ＮＯｘ触媒が異常の場合には比較的低くなるため、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合と、第二ＮＯｘ触媒が異常の場合と、のＮＯｘ浄化率の境界として判定閾値を設定しておけば、ＮＯｘ浄化率と判定閾値とを比較することにより、どちらの触媒が異常であるのか判定することができる。例えば、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合には、指示時点から所定時間経過後のＮＯｘ浄化率が判定閾値以上となる。一方、第二ＮＯｘ触媒が異常の場合には、指示時点から所定時間経過後のＮＯｘ浄
化率が判定閾値未満となる。

判定閾値は、システム全体が正常である場合のＮＯｘ浄化率よりも小さな値であって、例えば還元剤供給量を判定供給量とする直前のＮＯｘ浄化率とすることができる。すなわち、還元剤供給量を判定供給量とした場合に、第二ＮＯｘ触媒が異常であれば、第二ＮＯｘ触媒から還元剤が流出して、ＮＯｘ浄化率が低下するため、低下する前のＮＯｘ浄化率を判定閾値とすることができる。

このようにして、第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒のどちらの触媒が異常であるのか判定することができる。

本発明によれば、複数の添加弁を個別に制御できない場合において、コストアップを抑制しつつどの選択還元型ＮＯｘ触媒に異常があるのかを精度よく判定することができる。

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。 通常制御時における、システムが正常の場合、第一ＮＯｘ触媒が異常の場合、及び、第二ＮＯｘ触媒が異常の場合のＮＯｘ浄化率を示した図である。 選択還元型ＮＯｘ触媒の劣化の度合いと、該選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する還元剤量との関係を示した図である。 第一ＮＯｘ触媒または第二ＮＯｘ触媒が異常の場合に、増量制御時において、指示時点から、異常の触媒において還元剤に関する平衡状態になるまでの時間（所定時間）が経過したときの、第一ＮＯｘ触媒の異常、及び、第二ＮＯｘ触媒の異常の夫々の場合におけるＮＯｘ浄化率を示した図である。 増量制御時における第一ＮＯｘ触媒が異常である場合の各触媒からの還元剤流出量、及び、ＮＯｘ浄化率の推移の一例を示したタイムチャートである。 増量制御時における第二ＮＯｘ触媒が異常である場合の各触媒からの還元剤流出量、及び、ＮＯｘ浄化率の推移の一例を示したタイムチャートである。 実施例に係る異常判定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。内燃機関１は車両駆動用の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。排気通路２には、排気の流れ方向で上流側から順に、第一添加弁４１、第一ＮＯｘ触媒３１、第二添加弁４２、第二ＮＯｘ触媒３２が設けられている。第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２は、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒である。なお、本実施例においては第一ＮＯｘ触媒３１が、本発明における第一選択還元型ＮＯｘ触媒に相当する。また、本実施例においては第二ＮＯｘ触媒３２が、本発明における第二選択還元型ＮＯｘ触媒に相当する。

第一添加弁４１及び第二添加弁４２は、還元剤供給装置４の一部である。還元剤供給装置４は、第一添加弁４１及び第二添加弁４２の他にも、尿素タンク４３、還元剤供給通路
４４、ポンプ４５、還元剤量センサ４６、還元剤濃度センサ４７、還元剤流量センサ４８を備えている。

尿素タンク４３は、尿素水を貯留している。尿素水は、排気の熱または第一ＮＯｘ触媒３１、第二ＮＯｘ触媒３２からの熱により加水分解されてアンモニアとなり、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２に吸着する。このアンモニアは、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２において還元剤として利用される。還元剤供給通路４４は、一端が尿素タンク４３に接続され、他端が二つに分かれて第一添加弁４１と第二添加弁４２とに接続されている。還元剤供給通路４４は、第一添加弁４１及び第二添加弁４２に尿素水を供給している。還元剤供給通路４４が２つに分かれる箇所よりも尿素タンク４３側の該還元剤供給通路４４の途中に、尿素水を第一添加弁４１及び第二添加弁４２に向けて吐出するポンプ４５が設けられる。還元剤量センサ４６は、尿素タンク４３に貯留されている尿素水の量を検出する。還元剤濃度センサ４７は、尿素タンク４３に貯留されている尿素水の濃度を検出する。還元剤流量センサ４８は、ポンプ４５よりも下流で且つ還元剤供給通路４４が分岐する箇所よりも上流において、還元剤の流量を検出する。なお、本実施例では、アンモニア及び尿素水を還元剤という。

さらに、第一添加弁４１よりも上流には、第一ＮＯｘ触媒３１に流れ込む排気中のＮＯｘを検知する第一ＮＯｘセンサ１１が設けられている。また、第二ＮＯｘ触媒３２よりも下流には、第二ＮＯｘ触媒３２から流れ出る排気中のＮＯｘを検知する第二ＮＯｘセンサ１２が設けられている。なお、第一ＮＯｘセンサ１１及び第二ＮＯｘセンサ１２は、ＮＯｘと同じようにアンモニアも検知してしまう。また、内燃機関１には、吸気通路６が接続されている。吸気通路６の途中には、内燃機関１の吸入空気量を検知するエアフローメータ１６が取り付けられている。

そして、内燃機関１には電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御する。ＥＣＵ１０には、上述した第一ＮＯｘセンサ１１、第二ＮＯｘセンサ１２、エアフローメータ１６の他、クランクポジションセンサ１４及びアクセル開度センサ１５が電気的に接続され、各センサの出力値がＥＣＵ１０に渡される。なお、本実施例においてはＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１４の検知に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ１５の検知に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。なお、本実施例では、第一ＮＯｘ触媒３１に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度は第一ＮＯｘセンサ１１によって検知可能であるが、内燃機関１から排出される排気中（第一ＮＯｘ触媒３１に浄化される前の排気中であり、すなわち第一ＮＯｘ触媒３１に流れ込む排気中）のＮＯｘ濃度は、内燃機関１の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、推定することも可能である。

また、ＥＣＵ１０は、第一添加弁４１及び第二添加弁４２に対して、同じ信号を送って、第一添加弁４１及び第二添加弁４２を制御する。すなわち、ＥＣＵ１０は、第一添加弁４１及び第二添加弁４２に対して、弁の開閉に関する同じ指示をする。したがって、第一添加弁４１と第二添加弁４２とは同時期に還元剤を供給する。ＥＣＵ１０は、第一ＮＯｘ触媒３１に流入するＮＯｘの量に対し、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が目標範囲内となるように、第一添加弁４１及び第二添加弁４２から還元剤を供給する通常制御を実施する。すなわち、第一添加弁４１及び第二添加弁４２からは、内燃機関１から排出されるＮＯｘの量に応じて還元剤が供給される。なお、通常制御では、第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２の夫々の触媒において、還元剤吸着量を推定している。通常制御時には、各触媒の還元剤吸着量が一定となるように、第一添加弁４１及び第二添加弁４２から
還元剤を供給してもよい。第一ＮＯｘ触媒３１の還元剤吸着量は、第一添加弁４１からの還元剤供給量、第一ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率、第一ＮＯｘ触媒３１から流出する還元剤量に基づいて、モデルを用いて算出される。また、第二ＮＯｘ触媒３１の還元剤吸着量は、第二添加弁４２からの還元剤供給量、第二ＮＯｘ触媒３２のＮＯｘ浄化率、第二ＮＯｘ触媒３２から流出する還元剤量、第一ＮＯｘ触媒３２から流出する還元剤量に基づいて、モデルを用いて算出される。第一ＮＯｘ触媒３１のＮＯｘ浄化率、第二ＮＯｘ触媒３２のＮＯｘ浄化率、第一ＮＯｘ触媒３１から流出する還元剤量、第二ＮＯｘ触媒３２から流出する還元剤量は、温度等に基づいて推定される。このときには、システムが正常であると仮定した推定が行われる。

ＥＣＵ１０は、第一ＮＯｘ触媒３１の異常、または、第二ＮＯｘ触媒３２の異常、のどちらが生じているのか判定する。本実施例では、その他の装置等には異常がないことを周知の手段により確認しておいてもよい。例えば、第一添加弁４１、第二添加弁４２、及び、還元剤に異常がないことを予め確認しておいてもよい。例えば、還元剤量センサ４６により検出される還元剤の貯留量が規定量以上であれば、還元剤に不足がないと判定することができる。また、還元剤濃度センサ４７により検出される還元剤の濃度が規定範囲内であれば、還元剤の濃度が正常であると判定することができる。さらに、還元剤流量センサ４８により検出される還元剤の流量が規定流量以上であれば第一添加弁４１及び第二添加弁４２が正常であると判定することができる。すなわち、第一添加弁４１及び第二添加弁４２が正常であれば、ＥＣＵ１０が第一添加弁４１及び第二添加弁４２に対して開弁の指示を出力しているときに、還元剤供給通路４４を還元剤が流通する。したがって、第一添加弁４１及び第二添加弁４２が正常である場合の還元剤の流量の閾値を予め設定しておけば、還元剤流量センサ４８の検出値が閾値以上のときに第一添加弁４１及び第二添加弁４２が正常であると判定することができる。なお、本実施例においては、第一添加弁４１、第二添加弁４２、及び、還元剤に異常が生じているか否か判定するＥＣＵ１０が、本発明における供給異常判定手段に相当する。

ＥＣＵ１０は、第一ＮＯｘセンサ１１により検出されるＮＯｘ濃度（または、内燃機関１の運転状態から推定されるＮＯｘ濃度）と、第二ＮＯｘセンサ１２により検出されるＮＯｘ濃度と、に基づいて、第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２を合わせたシステム全体としてのＮＯｘ浄化率を算出する。第一ＮＯｘセンサ１１により検出されるＮＯｘ濃度は、第一ＮＯｘ触媒３１に流入する排気中のＮＯｘ濃度（上流側ＮＯｘ濃度）であり、第二ＮＯｘセンサ１２により検出されるＮＯｘ濃度は、第二ＮＯｘ触媒３２から流出する排気中のＮＯｘ濃度（下流側ＮＯｘ濃度）である。なお、以下で特に断らない限りは、ＮＯｘ浄化率といった場合には、システム全体としてのＮＯｘ浄化率を示す。ＮＯｘ浄化率は、第一ＮＯｘ触媒３１に流入する排気中のＮＯｘ濃度に対する、第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２でＮＯｘが浄化されることにより減少するＮＯｘ濃度の比であり、以下の式により算出することができる。
ＮＯｘ浄化率＝（上流側ＮＯｘ濃度−下流側ＮＯｘ濃度）／上流側ＮＯｘ濃度
ただし、上流側ＮＯｘ濃度は、第一ＮＯｘ触媒３１に流入する排気中のＮＯｘ濃度であり、下流側ＮＯｘ濃度は、第二ＮＯｘ触媒３１から流出する排気中のＮＯｘ濃度である。

ここで、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２以外の装置や還元剤が正常の場合で、且つ、ＮＯｘ浄化率が正常範囲の下限値（正常閾値ともいう。）よりも低下した場合には、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２の何れか一方の触媒に異常があると考えらえる。しかし、通常制御時におけるＮＯｘ浄化率だけを見ても、どちらの触媒が異常であるのか判定することは困難である。すなわち、内燃機関１から排出されるＮＯｘ量に応じた還元剤を第一添加弁４１及び第二添加弁４２から供給するような通常制御を行っている場合のＮＯｘ浄化率は、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合と、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合と、で同程度になり得る。このため、本実施例では、どちらの触媒が異常
であるのか区別する。なお、本実施例では、第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２が同時に異常となることがないものとする。

ここで、図２は、通常制御時における、システムが正常の場合、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合、及び、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合のＮＯｘ浄化率を示した図である。図２における正常閾値は、システムが正常である場合のＮＯｘ浄化率の下限値である。図２は、還元剤の供給から十分な時間が経過しているが、システムが正常であればＮＯｘ浄化率が正常閾値以上となっているときのＮＯｘ浄化率である。このように、第一ＮＯｘ触媒３１の異常、及び、第二ＮＯｘ触媒３２の異常の夫々のＮＯｘ浄化率は、同程度となる場合もあり、このときのＮＯｘ浄化率を用いても、どちらの触媒が異常であるのか判定することは困難である。

これに対して本実施例では、還元剤供給量を判定供給量まで増加させた後のＮＯｘ浄化率の推移に着目した。なお、判定供給量は、通常制御時よりも多い還元剤供給量である。すなわち、判定供給量は、ＮＯｘの浄化に必要となる還元剤量よりも多い還元剤供給量である。なお、判定供給量は、少なくとも異常の触媒から還元剤が流出する還元剤供給量としてもよい。すなわち、判定供給量は、異常の触媒から還元剤が流出する還元剤供給量としてもよい。また、判定供給量は、第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２が正常である場合に、第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出する還元剤供給量としてもよい。なお、還元剤供給量が判定供給量となるように第一添加弁４１及び第二添加弁４２にＥＣＵ１０が指示した時点を、以下では「指示時点」と称する。また、還元剤供給量が判定供給量となるようにＥＣＵ１０が第一添加弁４１及び第二添加弁４２に指示する制御を、以下では「増量制御」と称する。

なお、第二ＮＯｘセンサ１２は、ＮＯｘのほかにアンモニアも検出するため、排気中にアンモニアが存在していると、ＮＯｘセンサの検出値が大きくなる。この第二ＮＯｘセンサ１２の検出値に基づいてＮＯｘ浄化率を算出すると、ＮＯｘ浄化率が低くなってしまう。したがって、第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出すると、第二ＮＯｘセンサ１２の検出値に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率は低下する。なお、選択還元型ＮＯｘ触媒の劣化の度合いと、該選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する還元剤量との関係は、図３に示したようになる。図３は、選択還元型ＮＯｘ触媒の劣化の度合いと、該選択還元型ＮＯｘ触媒から流出する還元剤量との関係を示した図である。このように、触媒の劣化の度合いが大きくなるほど、触媒からの還元剤流出量が多くなる。なお、本実施例では劣化の度合いが許容範囲を超えた場合に、触媒が異常であるとしている。

＜第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２の異常の判定＞
ここで図４は、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合に、増量制御時において、指示時点から、異常の触媒において還元剤に関する平衡状態になるまでの時間（所定時間）が経過したときの、第一ＮＯｘ触媒３１の異常、及び、第二ＮＯｘ触媒３２の異常の夫々の場合におけるＮＯｘ浄化率を示した図である。

第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合には、判定供給量の還元剤を供給することにより、所定時間経過後には、第一ＮＯｘ触媒３１から還元剤が流出する。しかし、第二ＮＯｘ触媒３２は正常であるため、第一ＮＯｘ触媒３１から流出する還元剤が第二ＮＯｘ触媒３２に吸着される。このため、第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出するまでには、所定時間よりも長い時間がかかる。また、第一ＮＯｘ触媒３１が異常であったとしても、増量制御により第一ＮＯｘ触媒３１へ多くの還元剤が供給されることにより、第一ＮＯｘ触媒３１におけるＮＯｘ浄化率が上昇し得る。したがって、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合には、増量制御開始から所定時間経過後のＮＯｘ浄化率が、増量制御開始前のＮＯｘ浄化率以上となる。

一方、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合には、判定供給量の還元剤を供給することにより、所定時間経過後には、第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出する。そして、この第二ＮＯｘ触媒３２から流出する還元剤は、第二ＮＯｘセンサ１２で検出される。このため、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合よりも第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合のほうが、第二ＮＯｘセンサ１２により還元剤が検出されるまので時間が短い。したがって、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合よりも、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合のほうが、ＮＯｘ浄化率が低下するまでの時間が短い。増量制御開始から所定時間が経過する前であっても、第二ＮＯｘ触媒３２からは、徐々に還元剤が流出する。このため、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合には、増量制御開始から所定時間経過後のＮＯｘ浄化率が、増量制御開始前のＮＯｘ浄化率未満となる。

したがって、増量制御時において、指示時点から、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合のＮＯｘ浄化率と、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合のＮＯｘ浄化率と、で区別できるほどの差が生じるまでの時間が経過すれば、このときのＮＯｘ浄化率に基づいて、第一ＮＯｘ触媒３１が異常なのか、または、第二ＮＯｘ触媒３２が異常なのか、を区別することができる。この、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合のＮＯｘ浄化率と、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合のＮＯｘ浄化率と、で区別できるほどの差が生じるまでの時間は、異常の触媒において還元剤に関する平衡状態になるまでの時間とすることができる。この時間を本実施例では「所定時間」としている。

このように、増量制御における指示時点から、所定時間が経過した時点でのＮＯｘ浄化率が、判定閾値以上であれば、第一ＮＯｘ触媒３１が異常であり、第二ＮＯｘ触媒３２は正常であると判定する。一方、増量制御における指示時点から、所定時間が経過した時点でのＮＯｘ浄化率が、判定閾値未満であれば、第一ＮＯｘ触媒３１は正常であり、第二ＮＯｘ触媒３２が異常であると判定する。所定時間は、増量制御時において、指示時点から、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合のＮＯｘ浄化率と、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合のＮＯｘ浄化率と、で区別できるほどの差が生じるまでの時間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。なお、還元剤に関する平衡状態となるまでの時間は、通常制御時のＮＯｘ浄化率（触媒の劣化の度合いとしてもよい。）、判定供給量、第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２の温度、第二ＮＯｘ触媒３１が吸着可能な還元剤量等と関連することから、これらの値によって所定時間を変化させてもよい。また、これらの関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておいてもよい。また、増量制御開始時における異常の触媒の還元剤吸着量を触媒の温度、還元剤供給量、ＮＯｘ浄化率等から推定し、さらに、増量制御開始時におけるＮＯｘ浄化率から異常の触媒において還元剤に関する平衡状態となったときの還元剤吸着量を推定し、こられの推定値と、判定還元剤量とに基づいて、異常の触媒において還元剤に関する平衡状態となるまでの時間を推定して所定時間としてもよい。

なお、厳密には、第二ＮＯｘ触媒３２から第二ＮＯｘセンサ１２までの距離によって、第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出する時期と、第二ＮＯｘセンサ１２によって還元剤が検出される時期と、にずれが生じる。したがって、この時期のずれを考慮して所定時間を決定してもよい。

判定閾値は、指示時点から所定時間経過後において第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合のＮＯｘ浄化率の下限値として設定することができる。なお、本実施例では、判定閾値を、増量制御前のＮＯｘ浄化率としている。すなわち、第一ＮＯｘ触媒３１が異常であれば、所定時間経過後のＮＯｘ浄化率は、増量制御前のＮＯｘ浄化率以上となるが、第二ＮＯｘ触媒３２が異常であれば、所定時間経過後のＮＯｘ浄化率は、増量制御前のＮＯｘ浄化率未満となる。このため、増量制御前のＮＯｘ浄化率を判定閾値とすることができる。「増
量制御前」は、増量制御開始時点としてもよく、増量制御開始直前としてもよい。

＜異常の判定時のタイムチャート＞
図５は、増量制御時における第一ＮＯｘ触媒３１が異常である場合の各触媒からの還元剤流出量、及び、ＮＯｘ浄化率の推移の一例を示したタイムチャートである。Ｔ１は増量制御における指示時点を示し、Ｔ２はＴ１から所定時間が経過した時点を示し、Ｔ３はＴ１から第二ＮＯｘ触媒３２が還元剤に関する平衡状態となった時点を示している。Ｔ２は、第一ＮＯｘ触媒３１において還元剤に関する平衡状態となった時点ともいえる。還元剤流出量における実線は第一ＮＯｘ触媒３１からの還元剤流出量を示し、一点鎖線は第二ＮＯｘ触媒３２からの還元剤流出量を示している。

図５においては、増量制御開始前のＮＯｘ浄化率を判定閾値としている。増量制御開始前において、異常である第一ＮＯｘ触媒３１から還元剤が流出している。また、第一ＮＯｘ触媒３１から流出する還元剤の影響を受けて、増量制御開始前に第二ＮＯｘ触媒３２からも還元剤が流出している。しかし、第二ＮＯｘ触媒３２では、還元剤に関する平衡状態に達しているのではなく、還元剤をさらに吸着することができる。そして、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合、増量制御開始後に第一ＮＯｘ触媒３１からの還元剤流出量が増加する。しかし、第二ＮＯｘ触媒３２は正常であるため、第一ＮＯｘ触媒３１から流出する還元剤及び第二添加弁４２から供給される還元剤は、第二ＮＯｘ触媒３２に吸着される。したがって、Ｔ１からＴ２までの期間では、第二ＮＯｘ触媒３２からは還元剤がほとんど流出しない。このため、第二ＮＯｘセンサ１２では、還元剤がほとんど検出されない。さらに、Ｔ１からＴ２までの期間では、還元剤の過剰供給により、夫々の触媒におけるＮＯｘ浄化率が上昇する。したがって、Ｔ１からＴ２までの期間のＮＯｘ浄化率が、徐々に増加している。

第一ＮＯｘ触媒３１から流出する還元剤量がさらに増加すると、第二ＮＯｘ触媒３２からも還元剤の流出が始まる。この還元剤が第二ＮＯｘセンサ１２により検出されるため、ＮＯｘ浄化率が見かけ上低下していく。Ｔ３以降は、第二ＮＯｘ触媒３２においても還元剤に関する平衡状態となるため、第二ＮＯｘ触媒３２から流出する還元剤量が一定となり、ＮＯｘ浄化率も一定となる。

このように、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合には、増量制御開始から所定時間が経過した時点Ｔ２において、増量制御開始前よりもＮＯｘ浄化率が高くなるため、ＮＯｘ浄化率が判定閾値以上となる。

図６は、増量制御時における第二ＮＯｘ触媒３２が異常である場合の各触媒からの還元剤流出量、及び、ＮＯｘ浄化率の推移の一例を示したタイムチャートである。Ｔ１は増量制御における指示時点を示し、Ｔ２はＴ１から所定時間が経過した時点を示し、Ｔ３はＴ１から第一ＮＯｘ触媒３１が還元剤に関する平衡状態となった時点を示している。Ｔ２は、第二ＮＯｘ触媒３１において還元剤に関する平衡状態となった時点ともいえる。還元剤流出量における実線は第一ＮＯｘ触媒３１からの還元剤流出量を示し、一点鎖線は第二ＮＯｘ触媒３２からの還元剤流出量を示している。

図６においても、増量制御前のＮＯｘ浄化率を判定閾値としている。増量制御開始前は、正常である第一ＮＯｘ触媒３１からは還元剤がほとんど流出していないのに対し、異常である第二ＮＯｘ触媒３２からは還元剤が流出している。第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合、増量制御開始後すぐに第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出する。このため、Ｔ１からＴ２までの期間では、第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出する。このため、第二ＮＯｘセンサ１２で、還元剤が検出される。Ｔ１からＴ２までの期間では、還元剤の過剰供給により、夫々の触媒におけるＮＯｘ浄化率が上昇するが、このＮＯｘ浄化率の上昇分より
も、還元剤が検出されることによるＮＯｘ浄化率の低下分のほうが大きいため、全体としてのＮＯｘ浄化率は低下する。したがって、Ｔ１からＴ２までの期間のＮＯｘ浄化率が、徐々に低下している。なお、第一ＮＯｘ触媒３２は正常であるため、増量制御を開始しても、第一ＮＯｘ触媒３１からは、すぐには還元剤が流出しない。Ｔ３以降は、第一ＮＯｘ触媒３１においても還元剤に関する平衡状態となるため、第一ＮＯｘ触媒３１から流出する還元剤量が一定となり、ＮＯｘ浄化率も一定となる。

このように、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合には、増量制御開始から所定時間が経過した時点Ｔ２において、増量制御開始前よりもＮＯｘ浄化率が低くなるため、ＮＯｘ浄化率が判定閾値未満となる。

したがって、増量制御を開始後、Ｔ２の時点におけるＮＯｘ浄化率が、判定閾値以上であれば第一ＮＯｘ触媒３１が異常であると判定でき、判定閾値未満であれば第二ＮＯｘ触媒３２が異常であると判定できる。

＜異常の判定のフローチャート＞
図７は、本実施例に係る異常判定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により規定の時間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、触媒に異常があるか否か判定される。本実施例では、ステップＳ１０１において、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２が異常であるか否か判定される。第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２に異常がある場合には、システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下するため、ＮＯｘ浄化率が正常閾値未満である場合に、触媒に異常があると判定される。正常閾値は、システムが正常である場合のＮＯｘ浄化率の下限値として、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。このときの還元剤供給量は、増量制御における指示時点よりも前の通常制御における還元剤供給量である。

なお、第一添加弁４１及び第二添加弁４２を含む他の装置や還元剤等には異常がないことを予め確認しておいてもよい。この確認は、本ステップにおいて行ってもよく、本フローチャートの実行前に行っておいてもよい。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、増量制御を開始する。すなわち、還元剤供給量が判定供給量となるように指示がされる。本ステップでは、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２が異常である場合に、異常の触媒において還元剤に関する平衡状態になり、さらに該第一ＮＯｘ触媒３１及び第二ＮＯｘ触媒３２から還元剤が流出するように、還元剤供給量を増加させる。還元剤供給量の増加は、還元剤の供給時間を長くすることにより行うことができる。なお、増量制御は、ＥＣＵ１０からの還元剤供給量の指示値を増加させることにより行なう。また、第一添加弁４１及び第二添加弁４２に対して同時に同じ指示がされる。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、ステップＳ１０２で増量制御が開始された時点（指示時点）から、所定時間が経過したか否か判定される。本ステップでは、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２の何れが異常であるか判定することが可能となる時間が経過したか否か判定している。ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、一方、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０３が再度処理される。

ステップＳ１０４では、現時点のＮＯｘ浄化率が、判定閾値以上であるか否か判定され
る。すなわち、増量制御における指示時点から所定時間が経過した時点（図５または図６におけるＴ２）でのＮＯｘ浄化率が、判定閾値以上であるか否か判定される。所定時間が経過した時点では、第一ＮＯｘ触媒３１が異常であればＮＯｘ浄化率が判定閾値以上となり、第二ＮＯｘ触媒３２が異常であれば判定閾値未満となる。したがって、本ステップを処理することにより、第一ＮＯｘ触媒３１または第二ＮＯｘ触媒３２の何れが異常であるのかを判定することができる。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、第一ＮＯｘ触媒３１が異常であると判定される。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、第二ＮＯｘ触媒３２が異常であると判定される。ステップＳ１０５またはステップＳ１０６の処理が終了すると、ステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０７では、増量制御を終了させる。すなわち、還元剤供給量が、判定供給量から通常制御時における還元剤供給量に戻る。したがって、内燃機関１から排出されるＮＯｘの量に応じた還元剤の供給が開始される。ステップＳ１０７の処理が終了すると本フローチャートを終了させる。

以上説明したように本実施例によれば、触媒に異常がある場合に、第一ＮＯｘ触媒３１の異常、または、第二ＮＯｘ触媒３２の異常、の何れが発生しているのかを判定することができる。

なお、本実施例では、所定時間は、例えば、異常の触媒が還元剤に関する平衡状態となるまでの時間としている。しかし、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合と、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合と、でＮＯｘ浄化率に明確な差が生じる時間を所定時間とすることもできる。すなわち、図５及び図６に示されるように、Ｔ２の時点の前後においても、第一ＮＯｘ触媒３１が異常の場合と、第二ＮＯｘ触媒３２が異常の場合と、でＮＯｘ浄化率に差が生じているため、このＮＯｘ浄化率に差が生じている範囲で所定時間を設定してもよい。

１ 内燃機関
２ 排気通路
４ 還元剤供給装置
６ 吸気通路
１０ ＥＣＵ
１１ 第一ＮＯｘセンサ
１２ 第二ＮＯｘセンサ
１４ クランクポジションセンサ
１５ アクセル開度センサ
１６ エアフローメータ
３１ 第一選択還元型ＮＯｘ触媒（第一ＮＯｘ触媒）
３２ 第二選択還元型ＮＯｘ触媒（第二ＮＯｘ触媒）
４１ 第一添加弁
４２ 第二添加弁
４３ 尿素タンク
４４ 還元剤供給通路
４５ ポンプ
４６ 還元剤量センサ
４７ 還元剤濃度センサ
４８ 還元剤流量センサ

Claims (1)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ該排気通路内に還元剤を供給する第一添加弁と、
   前記第一添加弁よりも下流の排気通路に設けられ吸着している還元剤によりＮＯｘを選択還元する第一選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気通路に設けられ該排気通路内に還元剤を供給する第二添加弁と、
   前記第二添加弁よりも下流の排気通路に設けられ吸着している還元剤によりＮＯｘを選択還元する第二選択還元型ＮＯｘ触媒と、
   前記第二選択還元型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、
   還元剤の供給に異常が生じているかを判定する供給異常判定手段と、
   前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて還元剤の供給量を決定し、前記第一添加弁及び前記第二添加弁を同じ指示により操作する制御装置と、
   を備え、
   前記供給異常判定手段により還元剤の供給に異常が生じていないと判定された場合に、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒の異常か、前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒の異常か、を判定する内燃機関の排気浄化装置の故障判定装置であって、
   前記制御装置は、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒及び前記第二選択還元型ＮＯｘ触媒が正常であるか否の判定を行うときには、前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘの量に基づいて決定した還元剤の供給量よりも、前記第一添加弁及び前記第二添加弁からの還元剤の供給量を増加させ、前記第一添加弁及び前記第二添加弁からの還元剤の供給量を増加させた時点から所定時間の経過時に前記ＮＯｘセンサにより検出されるＮＯｘ濃度に基づいて算出されるＮＯｘ浄化率が、判定閾値以上であれば前記第一選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であり、前記判定閾値未満であれば第二選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定する内燃機関の排気浄化装置の故障判定装置。

Images