JP4103428B2

JP4103428B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine and method for determining deterioration thereof

Info

Publication number: JP4103428B2
Application number: JP2002104117A
Authority: JP
Inventors: 大介柴田; 久大木; 孝太郎林; 忍石山; 尚史曲田; 正明小林; 孝宏大羽
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2002-04-05
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2022-04-05
Also published as: JP2003293745A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特に排気浄化装置に設けられた触媒の特性に基ずく劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する触媒の一つとして、酸素濃度過剰雰囲気（リーン雰囲気）でＮＯｘを吸蔵し、排気中に還元剤である燃料を添加して酸素濃度低下雰囲気（リッチ雰囲気）にした時に吸蔵したＮＯｘを放出し、活性化された触媒（Ｐｔ等）により燃料（ＨＣ）と反応させ、Ｎ₂に還元して外気に排出する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がある。
【０００３】
このＮＯｘ触媒は、前記のように排気中のＮＯｘをリーン雰囲気の時に吸蔵、リッチ雰囲気の時に放出するＮＯｘ吸蔵剤と、還元剤である燃料により、活性化されて排出されたＮＯｘに還元反応を起こさせる貴金属触媒とから構成され、それぞれ吸蔵放出機能、活性化機能を組み合わせて排気を浄化している。
【０００４】
ところで、内燃機関より排出される排気中には、ＮＯｘの他に硫黄成分から構成される硫黄酸化物（ＳＯｘ）等の硫黄分を含んでおり、このＳＯｘに代表される硫黄分も前記ＮＯｘと同様にＮＯｘ触媒に吸蔵される。しかし、この吸蔵されたＳＯｘはＮＯｘを放出還元する工程では放出することができず、よって該ＮＯｘ触媒は、ＳＯｘを吸蔵することにより、ＮＯｘの吸蔵能力が低下することとなり、これをＳ被毒という。
【０００５】
また、該ＮＯｘ触媒を長期間使用する際、高温に晒されること等によって該ＮＯｘ触媒の粒子構造が破壊されてＮＯｘ等との反応部位である表面積が減少し、触媒の浄化能力が低下することとなり、これをシンタリングという。
【０００６】
前記のＳ被毒、シンタリング等が発生することにより、前記ＮＯｘ触媒はその吸蔵能力が低下し、ＮＯｘ触媒の浄化能力が低下することとなる。このため、従来より、希薄燃料内燃機関においてＮＯｘ触媒の劣化判定を可能にした技術が公開されている。例えば、特開平１１−２２９８５８号公報には、ＮＯｘ触媒の下流側にＮＯｘセンサを設けて、燃料添加を行いＮＯｘを浄化する際に、このＮＯｘセンサよりの出力値を少なくとも２回測定し、この時の出力値の差や比が所定値を越えた場合にＮＯｘ触媒の劣化を判定する技術が開示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の技術は、ＮＯｘセンサにより排気中のＮＯｘ濃度を検出しているので、この検出結果によりＮＯｘ触媒の劣化程度を判定することができる。しかし従来の技術では、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力を再生する再生手段である排気雰囲気をリーン雰囲気からリッチ雰囲気に変化させた際の、経時変化に基づくＮＯｘセンサの出力値の変化、又はこの再生手段実行中から再生手段終了後にリーン雰囲気な状態で、所定時間離れた少なくとも２回のＮＯｘセンサの出力値に基づいて該ＮＯｘ触媒の劣化程度を判断するものである。
【０００８】
つまりは、再生手段によりＮＯｘ触媒の再生を行う時に、ＮＯｘ触媒の雰囲気をリーン雰囲気とリッチ雰囲気に切り替えてＮＯｘ触媒より排出されるＮＯｘ量に基づいてＮＯｘ触媒の劣化判定を行うものである。このため、ＮＯｘセンサに個体差があったり、リーン雰囲気からリッチ雰囲気に雰囲気を変えた場合に、その酸素濃度にばらつきがあった場合などにＮＯｘ濃度の検出結果が変化してしまい、ＮＯｘ触媒の劣化程度を正しく判断することができない。
【０００９】
本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、ＮＯｘセンサの個体差や経時変化に左右されずに該ＮＯｘ触媒の吸蔵能力の変化から触媒の劣化程度を判定することを課題とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の問題を解決するために、酸素濃度過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に酸素濃度低下雰囲気中で吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒が、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置に設けられ、このＮＯｘ触媒の下流で排気中のＮＯｘ濃度を検出すると共に、排気雰囲気を所定の期間内に酸素濃度過剰雰囲気と酸素濃度低下雰囲気とに繰り返し変化させて前記ＮＯｘ触媒中のＮＯｘを断続的に排気中に放出させてこの放出されたＮＯｘ濃度を求め、所定の期間内で各々のＮＯｘ濃度の変化率及び変位差に基づいて該排気浄化装置の劣化状態を判定する排気浄化装置の劣化判定方法により劣化を判定する。
【００１１】
また、酸素濃度過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に酸素濃度低下雰囲気中で吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒が、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置に設けられ、このＮＯｘ触媒の下流で排気中のＮＯｘ濃度を検出すると共に、排気雰囲気を所定の期間内に酸素濃度過剰雰囲気と酸素濃度低下雰囲気とに繰り返し変化させて、前記ＮＯｘ触媒中のＮＯｘを断続的に排気中に放出させる前と放出させた後とのＮＯｘ濃度の検出結果に基づいて該排気浄化装置の劣化状態を判定する排気浄化装置の劣化判定方法によって劣化を判定する。
【００１２】
これらの劣化判定方法を行うために、内燃機関の排気通路中に設けられ酸素濃度過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に酸素濃度低下雰囲気中で吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒と、排気雰囲気を酸素濃度過剰雰囲気と酸素濃度低下雰囲気とに繰り返し変化させて前記ＮＯｘ触媒中のＮＯｘを断続的に放出させる再生手段と、前記ＮＯｘ触媒の下流に設けられ排気中のＮＯｘ濃度を検出すると共に、前記再生手段によりＮＯｘ触媒の再生を実施した際にＮＯｘ触媒より断続的に放出されるＮＯｘ濃度を各々検出するＮＯｘ濃度検出手段と、前記再生手段によりＮＯx触媒の再生を所定の期間に連続して行い、この期間中に前記ＮＯｘ濃度検出手段により検出したＮＯｘ濃度の変化率及び変位差に基づいて該触媒の劣化状態を判断する劣化判定手段とを備えた排気浄化装置の劣化判定装置を用いた。
【００１３】
前記劣化判定装置は、前記再生手段を実施した際に前記ＮＯｘ触媒より断続的に放出されるＮＯｘ濃度を各々検出するＮＯｘ濃度検出手段を有すると共に、この検出したＮＯｘ濃度の極大値を検出するＮＯｘ濃度極大値検出手段を有することとした。
【００１４】
前記劣化判定装置は、前記ＮＯｘ濃度検出手段により、前記再生手段によるＮＯｘ触媒の再生を実施する前と実施した後のＮＯｘ濃度を検出し、前記再生の実施前と実施後の検出値の差に基づいて該触媒の劣化状態を判断する劣化判定手段を備えることとした。
【００１５】
ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを放出してＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵機能を再生する際に、触媒雰囲気を酸素濃度過剰雰囲気から酸素濃度低下雰囲気にするために排気中に還元剤添加を行う。この還元剤添加を行った時にＮＯｘがＮＯｘ触媒より放出されてＮＯｘ触媒下流に設けられたＮＯｘセンサ等のＮＯｘ濃度検出手段で感知される。劣化していないＮＯｘ触媒ならば、還元剤が添加された際の反応の即応性、及びＮＯｘの吸蔵量の多さから、還元剤と還元反応を行うよりも多くのＮＯｘが放出されてＮＯｘ触媒下流にＮＯｘが排出され、ＮＯｘセンサに排出量の大きな極大値（ピーク）が検出される。これに対して劣化した触媒ならば、その劣化により、還元剤が添加された際の即応性の低下、及びＮＯｘ吸蔵量の低下からＮＯｘ放出量が低下し、ＮＯｘ触媒下流に設けられたＮＯｘセンサのＮＯｘ排出量のピークが小さくなる。
【００１６】
また、還元剤を添加することによりＮＯｘが吸蔵されたＮＯｘ触媒を再生する際には、断続的に還元剤を添加し、ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘを繰り返し放出、還元する。この時、還元剤の各添加時におけるＮＯｘ濃度のピークも徐々に小さくなり、最終的にはＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘが全て放出され、排気中に存在するＮＯｘを検出するのみになる。この時劣化していないＮＯｘ触媒は、単位時間、単位表面積あたりのＮＯｘ吸蔵能力の高さ、及びＮＯｘ放出能力の高さから、ＮＯｘ触媒下流に流出するＮＯｘ量は還元剤添加前に比べて大幅に少なくなると共に、断続的にＮＯｘを放出した際のＮＯｘ濃度のピークも急激に小さくなっていく。しかし、劣化したＮＯｘ触媒はＮＯｘ吸蔵能力及びＮＯｘ放出能力も低下しているため、ＮＯｘ触媒下流に流出するＮＯｘ量は還元剤添加前に比べ、そのＮＯｘ量の低下は緩慢であり、また断続的にＮＯｘを放出した際のＮＯｘ濃度のピークの低下も余り顕著に現れない。
【００１７】
すなわち、本発明は、前記の特性に基づいて行われるものであり、劣化したＮＯｘ触媒と劣化していないＮＯｘ触媒で還元剤を複数回添加してＮＯｘ浄化工程を行う際に、排出されるＮＯｘ量のピークの差、及び複数回発生するピークの変化度合に基づいて劣化の判断を行う。これに加えて浄化工程を行う前のＮＯｘ触媒下流側のＮＯｘ濃度と浄化工程を行った後のＮＯｘ触媒下流側のＮＯｘ濃度の変化の差に基づいても該ＮＯｘ触媒の劣化を判断する。
【００１８】
前記ＮＯｘの浄化工程を行う際に発生するピークに基づいてＮＯｘ触媒劣化の判断を行う場合には、常に同じ条件で劣化判定を行う必要から、ＮＯｘ触媒はそのＮＯｘ吸蔵量が満たされていること（飽和状態）が望ましい。また、同様にＮＯｘ触媒に流入する排気流量も安定した状態で測定を行うことが望ましい。
【００１９】
前記浄化工程を行う前のＮＯｘ触媒下流側のＮＯｘ濃度と浄化工程を行った後のＮＯｘ触媒下流側のＮＯｘ濃度の変化の差に基づいて該ＮＯｘ触媒の劣化を判断を行う場合にも、同じ条件で劣化判定を行う必要があることから、排気浄化工程を行う前にＮＯｘ濃度を測定する時は、ＮＯｘ触媒はＮＯｘにより飽和状態であるのが望ましい。また、排気浄化工程後にＮＯｘ濃度を測定するのは、ＮＯｘ触媒にＮＯｘが吸蔵されていない状態でのＮＯｘ触媒下流側のＮＯｘ濃度を測定することである。よって排気浄化工程後に限らずＮＯｘ触媒にＮＯｘが吸蔵されていない状態、例えばコールドスタート後等にＮＯｘ触媒下流のＮＯｘ濃度を測定し、この値とＮＯｘ触媒が飽和状態でのＮＯｘ触媒下流ＮＯｘのＮＯｘ濃度を測定し比較対象として触媒劣化判定を行っても良い。
【００２０】
次に、酸素濃度過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に酸素濃度低下雰囲気中で吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒が、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置に設けられ、このＮＯｘ触媒の上流と下流とで排気中のＮＯｘ濃度を検出してこの検出結果から該ＮＯｘ触媒に吸蔵されるＮＯｘ量を検出し、このＮＯｘ量の検出結果に基づいて該排気浄化装置の劣化状態を判定することを特徴とする排気浄化装置の劣化判定方法によって触媒の劣化を判定する。
【００２１】
この劣化判定方法を行うために、内燃機関の排気通路中に設けられ酸素濃度過剰雰囲気で排気中のＮＯｘを吸蔵すると共に酸素濃度低下雰囲気中で吸蔵したＮＯｘを放出するＮＯｘ触媒と、内燃機関より排出されて前記ＮＯｘ触媒に流入する排気中のＮＯｘ量を検出する触媒流入ＮＯｘ量検出手段と、前記触媒より流出する排気中のＮＯｘ量を検出する触媒流出ＮＯｘ量検出手段と、前記触媒流入ＮＯｘ量検出手段と触媒流出ＮＯｘ量検出手段とにより、検出されたＮＯｘ量の差より該ＮＯｘ触媒に吸蔵されたＮＯｘ量を検出する吸蔵ＮＯｘ量検出手段と、この吸蔵ＮＯｘ量検出手段より検出されたＮＯｘ吸蔵量に基づいて該触媒の劣化状態を判定する劣化判定手段とを備えた排気浄化装置の劣化判定装置を用いた。
【００２２】
前述のように劣化したＮＯｘ触媒は劣化していないＮＯｘ触媒に対して吸蔵能力が劣る。よって判定を行うＮＯｘ触媒の吸蔵量を算出し、予め算出されている劣化していないＮＯｘ触媒でのＮＯｘ吸蔵量と比較することで、判定を行うＮＯｘ触媒の劣化程度を判断する。ＮＯｘの吸蔵量を算出する手段としては、ＮＯｘ触媒の上下流にＮＯｘセンサを設けて排気中のＮＯｘ濃度を測定し、それぞれ含まれるＮＯｘの差により求める方法がある。また、予めマップ等により内燃機関より排出されるＮＯｘ量が推定できるのならば、前記マップで推定されるＮＯｘ量と、ＮＯｘ触媒下流側に設けたＮＯｘセンサから算出されるＮＯｘ量の差より求めても良い。
【００２３】
また、本発明を行うにあたっては、測定を開始する前のＮＯｘ触媒にはＮＯｘが吸蔵されていないことが望ましい。ＮＯｘ触媒の吸蔵量により判断を行うため、測定時に予めＮＯｘが吸蔵されていると、予め吸蔵されていたＮＯｘ量だけＮＯｘ吸蔵量が減り、これにより劣化していないＮＯｘ触媒も劣化していると誤判断する可能性があるためである。
【００２４】
以上の劣化判定方法を行うことにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出還元能力、ＮＯｘ吸蔵能力の観点からＮＯｘ触媒の劣化判断を行うことが可能となる。また、ＮＯｘの放出量に基づく劣化判定方法を第１の劣化判定方法と定めると共に、ＮＯｘの吸蔵量に基づく劣化判定方法を第２の劣化判定方法と定める。この時に先ず第２の劣化判定方法を行うことにより、ＮＯｘ触媒にＮＯｘを吸蔵させて飽和状態とし、その後第１の劣化判定方法を行うことにより、これら第１及び第２の劣化判定方法を一連として行うことが可能である。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の劣化判定装置及び方法を、ディーゼルエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。
【００２６】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。以下、本ディーゼルエンジンシステムの構成について説明する。
【００２７】
燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、蓄圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、燃料添加ノズル１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００２８】
サプライポンプ１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２はサプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を供給噴射する。
【００２９】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクからくみ上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して燃料添加ノズル１７に供給する。燃料通路Ｐ２にはサプライポンプ１１から燃料添加ノズル１７に向かって遮断弁１４が配設されている。遮断弁１４は緊急時において、添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を中止する。燃料添加ノズル１７は燃料噴射弁１３と同様な電磁弁であり、排気系４０内に還元剤である燃料を噴射添加する。
【００３０】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００３１】
また、このエンジン１には、周知の過給器（ターボチャージャ）５０が備えられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２とコンプレッサ５３とを備える。一方のコンプレッサ５３は吸気系３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール５２は排気系４０内の排気ガスに晒されている。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサ５３を回転させ、吸気圧を高める効果（過給効果）を有する。
【００３２】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０の下流に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりも更に下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００３３】
また、エンジン１には、燃焼室２０の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気環流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。具体的には、ＥＧＲ通路６０は排気系４０におけるターボチャージャ５０上流の排気集合管４０ａと吸気系３０におけるスロットル弁３２の下流側を連通している。このＥＧＲ通路６０は、排気ガスの一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調節することが可能なＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（環流）する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００３４】
また、排気系４０において、燃焼室より接続する排気集合管４０ａ、タービンホイール５２が設けられた部位より下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路４０ｂ、その下流にＮＯｘ触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路４０ｃが順次連結されている。ＮＯｘ触媒ケーシング４２には、後述するように排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４２ｂが収容されている。
【００３５】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００３６】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、燃料添加ノズル１７へ導入される燃料の圧力（燃圧）に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。酸素濃度（Ａ／Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気ガス中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。触媒流出排気温度センサ７４は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。ＮＯｘセンサ７８は触媒ケーシング４２出口において流出する排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度に応じた検出信号を出力する。
【００３７】
また、アクセル開度センサ７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００３８】
図２に示すように、ＥＣＵ８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ８４、タイマカウンタ８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート８６と、出力ポート８７とが、双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３９】
ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号を入力ポート８６を介して入力し、これら信号に基づいてＥＣＵ８０に有するＣＰＵ８１において、ＲＯＭ８２に記憶されているプログラムから、エンジン１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、還元剤（還元剤として機能する燃料）添加に係る燃料噴射の供給量の決定や添加時期等に関する還元剤（燃料）添加制御等、エンジン１の運転状態に関係する各種制御を行う。
【００４０】
尚、燃料噴射弁１３を通じて各気筒に燃料を供給する燃料供給系１０、排気系４０に備えられたＮＯｘ触媒、及びこれら燃料供給系１０やＮＯｘ触媒の機能を制御するＥＣＵ８０等は、併せて本実施の形態に係るエンジン１の排気浄化装置を構成する。前記燃料添加制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ８０を含め、この排気浄化装置を構成する各種部材の作動を通じて実施される。
【００４１】
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２について、その構成及び機能を詳しく説明する。
【００４２】
図３は、図１に示した触媒ケーシング４２を、その内部構造の一部と共に拡大して示す断面図である。触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４２ｂを収容する。
【００４３】
ＮＯｘ触媒４２ｂは、例えばアルミナ（ＡＬ₂Ｏ₃）を主材料とした担体とし、この担体の表面にＮＯｘ吸蔵剤として機能する、例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、のようなアルカリ土類金属、あるいはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する、例えば白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００４４】
ＮＯｘ吸蔵剤は、排気ガス中の酸素濃度が高い状態ではＮＯｘを保持し、排気ガス中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気ガス中にＮＯｘが放出された時、排気ガス中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ₂やＨ₂Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ₂に還元される。
【００４５】
また、ＮＯｘ触媒４２ｂを構成している貴金属触媒はＨＣの酸化を促して、ＨＣの酸化反応熱により床温を昇温する。
【００４６】
また、ＮＯｘ吸蔵剤は排気ガス中の酸素濃度が高い状態である時にでも所定の限界量のＮＯｘを保持すると、それ以上ＮＯｘを保持しなくなる。エンジン１では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持量が限界に達する前に、排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤を添加供給することで、ＮＯｘ触媒４２ｂを活性化して保持されたＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。
【００４７】
以下ＮＯｘ浄化について具体的に説明する。
【００４８】
一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室内で燃焼に供される燃料及び空気の混合気の酸素濃度が、殆どの運転領域で高濃度状態にある。燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼に供された酸素を差し引いてそのまま排気ガス中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度が高ければ、排気ガス中の酸素濃度も基本的には同様に高くなる。
【００４９】
一方、前述したように、ＮＯｘ触媒４２ｂは排気ガス中の酸素濃度が高ければＮＯｘを保持し、低ければＮＯｘをＮ₂に還元する特性を有するため、排気ガス中の酸素が高濃度にある限りＮＯｘを保持し続ける。但し、当該ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持量には限界が存在し、同ＮＯｘ触媒４２ｂが限界量のＮＯｘを保持した状態では、排気ガス中のＮＯｘは同ＮＯｘ触媒４２ｂに保持されず触媒ケーシング４２を素通りする。
【００５０】
ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持作用を復帰させるため、還元剤をＮＯｘ触媒４２ｂ中のＮＯｘ吸蔵剤に添加する必要があるが、エンジンの構成上、通常の燃料噴射を行った場合に、酸素濃度が低い、すなわち還元剤である燃料を多量に含んだ排気ガスは排出され難い。
【００５１】
よって、内燃機関の燃焼室にて行われる動力転化用の主燃料噴射とは別に主に未燃焼燃料として燃料を噴射する副次的燃料噴射を行う方法や、排気通路に設けられ、排気ガス中に燃料を噴射する方法などにより燃料を排気ガス中に添加して排気ガス中の還元剤成分を増量させ、この還元成分によりＮＯｘ保持作用を復帰、再生させる（ＮＯｘ触媒再生制御）。
【００５２】
このＮＯｘ触媒再生制御を行う場合は、再生を行うＮＯｘ触媒４２ｂの床温度、ＮＯｘ吸蔵量等により、還元剤である燃料の添加量や添加時期等が異なる。また、この添加量や添加時期を決定するにあたっては、車両搭載時のＮＯｘ触媒４２ｂの浄化能力に基づいた値が設定されている。しかし長期間ＮＯｘ触媒４２ｂを使用すると、その経年劣化等により、該ＮＯｘ触媒４２ｂの排気浄化能力が変化してくる。よって、ＮＯｘ触媒４２ｂの劣化程度を判定し、その劣化程度に沿って還元剤の添加量を変化させるか、あるいはＮＯｘ触媒４２ｂを交換する必要がある。
【００５３】
以下、ＮＯｘ触媒４２ｂについての触媒劣化判定について説明する。ＮＯｘ触媒はその特徴としてＮＯｘ触媒周辺の雰囲気がリーン雰囲気の時に排気中のＮＯｘを駆体に吸蔵し、ＮＯｘ触媒周辺の雰囲気がリッチ雰囲気に変化すると共に駆体に吸蔵していたＮＯｘを放出する。よってＮＯｘ触媒４２ｂが劣化することにより、このＮＯｘ吸蔵、放出の機能が衰える。この劣化による吸蔵放出機能低下を基にしてＮＯｘ触媒の劣化判定を行う。
【００５４】
現状制御では、ＮＯｘ触媒においてＮＯｘの吸蔵開始温度よりも還元剤添加開始温度のほうが高い。よって、図４に示すように、新触媒において、触媒床温度がＮＯｘ吸蔵開始温度になった時点から燃料添加開始可能温度に昇温して燃料添加を開始するまでの間（区間ａ〜ｂ）、すなわちＮＯｘ吸蔵量が飽和状態になるまではＮＯｘを吸蔵することができる。しかし、ＮＯｘ吸蔵能力が低下した場合には飽和状態のＮＯｘ吸蔵量が減少するため、そのＮＯｘを吸蔵して飽和状態になるまでの期間が短くなる（区間ａ〜ｂ’）。
【００５５】
よって、ＮＯｘ吸蔵開始温度から燃料添加開始温度までの時間を短縮する必要がある。この時間を短縮する一例としてに図５に示したフローチャートに基づく早期添加制御等を行う。
【００５６】
このフローチャートでは、ＮＯｘ吸蔵開始温度から燃料添加開始温度までの時間を短縮するために、先ず、Ｓ５０１でＮＯｘ吸蔵能力が低下しているかどうかを判断する。ここでＮＯｘ吸蔵能力が低下しているのであればＳ５０２へ進む。Ｓ５０２及びＳ５０３では、触媒床温度について判断する。Ｓ５０２で触媒床温度が燃料添加開始温度以下であるならば早期添加制御が必要であるため、Ｓ５０３に進む。次にＳ５０３で触媒床温度がＮＯｘ吸蔵開始温度以上であるかどうかを判断する。ここで触媒床温度がＮＯｘ吸蔵開始温度以下であるならば、早期添加制御を行う必要が無いので、Ｓ５０２に戻る。触媒床温度がＮＯｘ吸蔵開始温度以上であるならば、Ｓ５０４へ進み、触媒床温度を燃料添加開始温度以上に上げる。そしてＳ５０５で触媒昇温が燃料添加開始温度以上であることを確認して早期添加制御を終了する。
【００５７】
つまりは図４で、通常の温度上昇を表す触媒床温度曲線Ａを、早期添加制御を行った場合を表す触媒床温度曲線Ｂに変えて、劣化触媒のＮＯｘ飽和量となるｂ’の時点で触媒床温度が燃料添加開始可能温度より低温の場合には、ＮＯｘが吸蔵しきれずに触媒ケーシング４２の下流に排出され、ＮＯｘ浄化時のエミッション悪化に繋がる。よって劣化したＮＯｘ触媒の吸蔵能力の低下を基にしてＮＯｘ触媒の劣化を判定し、エミッション悪化を防止する。
【００５８】
ＮＯｘ触媒４２ｂの劣化判定を行うにあたり、この劣化判定を行うに必要な構成について説明する。図１に図示されている触媒ケーシング４２の下流には、触媒床温度を計測するために触媒流出排気温度センサ７４が設けられて間接的に触媒床温度を測定する。また同様に触媒ケーシング４２の下流にＮＯｘセンサ７８が設けられて触媒ケーシング４２内のＮＯｘ触媒４２ｂより排出される排気中のＮＯｘ濃度を測定する。このＮＯｘセンサ７８で測定した濃度と、吸気系３０に設けられたエアフローメータ７２から算出される流入空気量からＮＯｘ触媒４２ｂの下流に流出したＮＯｘ量（Ｎｏｕｔ）を算出する。また、ＮＯｘ触媒４２ｂに流入するＮＯｘ量（Ｎｉｎ）については、予めエンジン１の水温、燃焼室２０に噴射される燃料量、燃焼室２０に流入する空気量などからなるマップをＲＯＭ８２に記憶しておき、このマップによりエンジン１より排出される排気中のＮＯｘ濃度を推定したものとエアフローメータ７２から算出される流入空気量からＮＯｘ触媒４２ｂに流入するＮＯｘ量を算出する。以上の構成を基にしてＮＯｘ触媒の劣化判定を行う。
【００５９】
ＮＯｘ触媒はコールドスタート時等、長時間低床温状態が続くとＮＯｘ吸蔵量は０になる特性を持つ。よって、長時間低床温状態であるコールドスタート後に、ＮＯｘの吸蔵量に基づく劣化判定方法である第２の劣化判定方法による劣化判定を開始する。
【００６０】
具体的な判定方法としては以下のように行う。先ず、図６に示すように、コールドスタート後、触媒床温度が吸蔵開始温度（ａ点）になるまではＮｉｎとＮｏｕｔとの値はほぼ同値で移行する。その後、触媒床温度が吸蔵開始温度以上になるとＮＯｘ触媒４２ｂでＮＯｘの吸蔵が開始され、ＮＯｘ触媒４２ｂの上下流での排気中のＮＯｘ量に差が発生する。この差がＮＯｘ触媒４２ｂの吸蔵ＮＯｘ量（ｓｎｏｘ）になる。触媒が吸蔵開始温度以上になってＮｉｎとＮｏｕｔとの間に差が生じた後、ＮＯｘ触媒４２ｂに吸蔵されるＮＯｘが飽和状態に達してＮｉｎとＮｏｕｔとの間に差が無くなる時点（ｂ点）までｓｎｏｘを測定する。よって、このａ点からｂ点までＮＯｘ触媒４２ｂのＮｉｎとＮｏｕｔとの差であるｓｎｏｘを積分したものがＮＯｘ触媒４２ｂに吸蔵される総ＮＯｘ量（Ｓｎｏｘ）となる。
【００６１】
前記で求めたＳｎｏｘが予め定められた所定値より小さいのであればＮＯｘ触媒４２ｂは劣化していると判定される。以上を図７に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００６２】
先ずＳ７０１で触媒床温度が所定時間、所定温度ａ以下であったかどうかを判断する。これは触媒にＮＯｘが吸蔵されているかどうかを確認するための工程であり、このときの所定時間、所定温度ａは、ＮＯｘが吸蔵量の最大値まで吸蔵された新品のＮＯｘ触媒において、ＮＯｘがすべて放出されるのに必要な時間及び温度である。
【００６３】
次にＳ７０２，Ｓ７０３でＮｏｕｔ，Ｎｉｎの測定を行う。その後Ｓ７０４へ進みＮｉｎとＮｏｕｔとの差が所定値ｂ以上であるかどうかを判断する。ここでｓｎｏｘが所定値ｂ以上ならばＳ７０８へ進み、所定値ｂ以下ならばＳ７０５へ進む。
【００６４】
Ｓ７０５では触媒床温度が吸蔵開始温度である所定温度ｃ以上であるかどうかを判断する。触媒床温度が所定温度ｃ以下であるならばＳ７０２へ戻り、所定温度ｃになるまで本ルーチンを繰り返す。触媒床温が所定温度ｃ以上ならばＳ７０６へ進み、該触媒にはＮＯｘ吸蔵能力が無いと考えられる。次にＳ７０７で該触媒は破損している等の原因から劣化していると判定され、本ルーチンを終了する。
【００６５】
Ｓ７０４でＮｉｎとＮｏｕｔの差が所定値ｃ以上であると判断されて進んだＳ７０８では、ＮｉｎとＮｏｕｔとの差：Ｎｉｎ−Ｎｏｕｔ＝吸蔵量：ｓｎｏｘとする。その後Ｓ７０９へ進み、Ｎｏｕｔを測定する。ここでＮｏｕｔは、ＮＯｘ触媒４２ｂがその吸蔵量が飽和近くになることによる吸蔵量の低下、若しくは触媒床温度の低下による吸蔵能力の低下が想定される。よってＳ７１０に進み、触媒床温度を測定し、触媒床温度が吸蔵開始温度である所定温度ｄ以下ならば、ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ吸蔵能力が低下若しくは停止していることから、Ｓ７０１に戻り本ルーチンを再び繰り返す。触媒床温度が所定温度ｄ以上であるならば、Ｓ７１１に進む。
【００６６】
Ｓ７１１ではｓｎｏｘを積分して、ＮＯｘ触媒４２ｂが飽和状態になった時点での吸蔵量：Ｓｎｏｘを算出する。次にＳ７１２に進んで、ＮｉｎとＮｏｕｔとの間に差が発生しているかどうかを判定する。Ｓ７１０で触媒床温度が吸蔵開始温度より高い温度であることを確認しているので、ＮｉｎとＮｏｕｔとの間に差が発生していないならばＮＯｘ触媒４２ｂで吸蔵反応が起こらない状態、すなわちＮＯｘが飽和状態にあると考えられる。ここでＮｉｎとＮｏｕｔとの間に差が発生しているのならばＳ７０９へ戻ってＮｉｎとＮｏｕｔとの間に差が発生しなくなるまで本ルーチンを繰り返す。
【００６７】
Ｓ７１２でＮｉｎとＮｏｕｔとの間に差が発生していないならばＳ７１３に進んでＮＯｘ触媒４２ｂに吸蔵された総ＮＯｘ量であるＳｎｏｘを所定値ｅと比較する。この所定値ｅは、予め定められた劣化していない触媒で吸蔵される総ＮＯｘ量である。Ｓｎｏｘが所定値ｅ以上ならば触媒は劣化していないと判定し、本ルーチンを終了する。またＳｎｏｘが所定値ｅ以下ならば触媒は劣化していると判定し、本ルーチンを終了する。
【００６８】
以上より、第２の劣化判定方法である、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵能力に基づく触媒の劣化が判定可能となる。
【００６９】
次に図６のｂ点において、ＮＯｘ触媒４２ｂがそのＮＯｘ吸蔵量が飽和した状態になった後、ＮＯｘを還元浄化するため、ＮＯｘを排気中に放出する機能から触媒の劣化を判定する。
【００７０】
ＮＯｘ触媒にＮＯｘが飽和状態まで吸蔵された状態で、触媒雰囲気をリーン雰囲気からリッチ雰囲気にした状態、すなわちＮＯｘ触媒に還元剤を添加した場合に、劣化したＮＯｘ触媒では、１回の還元剤添加におけるＮＯｘ放出量、ＮＯｘ低減量が小さくなるのは公知である。また、この還元剤添加を繰り返し行った場合では、劣化したＮＯｘ触媒は、そのＮＯｘ放出量の変化が小さくなる特性を示す。よってこのＮＯｘ放出量変化が小さくなることに着目して、ＮＯｘの放出量に基づく劣化判定方法である第１の劣化判定方法を行う。
【００７１】
具体的には、飽和状態にまでＮＯｘを吸蔵させたＮＯｘ触媒４２ｂに還元剤である燃料添加を燃料添加ノズル１７より複数回繰り返し行う。この複数回繰り返し燃料添加を行うことで、ＮＯｘ触媒４２ｂに吸蔵されているＮＯｘを排気中に放出し、この放出されたＮＯｘをＮＯｘセンサ７８で感知する。
【００７２】
複数回繰り返し燃料添加を行うことにより、図８に示すように燃料添加を行った際には排気中のＮＯｘ濃度が上昇し、各燃料添加時においてＮＯｘ濃度の極大値（ピーク）を示す。新触媒では最初の燃料添加時にそのピークが大きくなり、その後繰り返し燃料添加を行うたびにそのピークは急激に小さくなっていく。すなわち、初期のピークに対して繰り返し燃料添加を行うことにより発生するピークの変化率は大きくなる。これに対して劣化している触媒では、最初の燃料添加時のピークは余り大きくならず、その後繰り返し燃料添加を行った際にも、そのピークの低下は緩慢である。すなわち初期のピークに対して繰り返し発生するピークの変化率は小さくなる。
【００７３】
これと共に、図８に示すように、新触媒では燃料添加開始前のＮＯｘ濃度に対する、燃料添加を繰り返し行った後のＮＯｘ濃度の低減量が大きいのに対し、劣化した触媒では燃料添加開始前のＮＯｘ濃度に対する、燃料添加を繰り返し行った後のＮＯｘ濃度の低減量が小さくなる。
【００７４】
よって、ＮＯｘを飽和状態まで吸蔵した劣化していないＮＯｘ触媒に燃料を繰り返し添加した際のピークの変化率、及び燃料添加を行う前後でのＮＯｘ濃度の低減量を所定の値と定める。これに対して劣化判定を行うＮＯｘ触媒の燃料添加を繰り返し行った際に発生するピークの変化率、及び燃料添加を繰り返し行う前に対する燃料添加を繰り返し行った後のＮＯｘ濃度の低減量を求め、前記所定値と比較して、ピークの変化率が低く、ＮＯｘ濃度の低減量が少ない場合には劣化していると判断する。
【００７５】
また、前記で求めた劣化判定を行うＮＯｘ触媒のピークの変化率は大きいがＮＯｘ濃度の低減量が少ない場合には還元剤である燃料の添加量不足が想定される。これとは反対にＮＯｘ触媒のピークの変化率は小さいが、ＮＯｘ濃度の低減量が多い場合には、ＮＯｘ触媒の吸蔵能力の低下が想定される。
【００７６】
以上を図９に示すフローチャートに基づいて説明する。
【００７７】
先ず、Ｓ９０１にてＮＯｘ触媒４２ｂにＮＯｘが飽和状態まで吸蔵されているかどうかを確認する。これはＮＯｘ触媒に燃料を添加した際、すなわちＮＯｘ触媒の雰囲気をリッチ雰囲気にした場合にＮＯｘ触媒より排出されるＮＯｘ量が該ＮＯｘ触媒に吸蔵されている吸蔵ＮＯｘ量に左右されるため、劣化判定を行う際には、一定のＮＯｘ吸蔵量、つまりは飽和状態のＮＯｘ吸蔵量において劣化判定を行うためである。Ｓ９０１で所定量ＮＯｘが吸蔵されていると判断されればＳ９０２へ進み、所定量ＮＯｘが吸蔵されていないと判断されれば所定量ＮＯｘが吸蔵されるまで本ステップを繰り返す。
【００７８】
次に、Ｓ９０２で還元剤である燃料を所定期間内に断続的に複数回添加する。この時燃料添加回数が進むに順って、ＮＯｘ触媒より放出されるＮＯｘ量が低下するため、還元剤である燃料量も減らす必要がある。よって、Ｓ９０３、Ｓ９０４では燃料の添加量を調整する。すなわち、Ｓ９０３では酸素濃度センサ７３の値が予め定められた酸素濃度（所定値１）以下ならばＳ９０５及びＳ９０２へ進んで添加量を増量する。Ｓ９０４では酸素濃度センサ７３の値が予め定められた酸素濃度（所定値２）以上ならばＳ９０６及びＳ９０２へ進んで添加量を減量する。
【００７９】
Ｓ９０２〜Ｓ９０６のステップでＮＯｘ触媒４２ｂに燃料添加が正しく行われていることを確認した後、Ｓ９０７へ進みＮＯｘ触媒４２ｂの劣化判定を行う。
【００８０】
Ｓ９０７では所定期間内でＮＯｘの放出量に起因する、ＮＯｘ濃度の変化率について判定を行う。該変化率が劣化していないＮＯｘ触媒が示す所定値３より低い値であるならばＳ９０８へ進み、該変化率が所定値３より高い値ならばＳ９０９へ進む。Ｓ９０８、Ｓ９０９では何れも燃料添加を行う所定の期間前のＮＯｘ濃度と燃料添加を行った所定の期間後のＮＯｘ濃度の変化量であるＮＯｘ低減量について判定を行う。
【００８１】
Ｓ９０８でＮＯｘ低減量が、劣化していないＮＯｘ触媒が示す所定値４より低い値を示すのであればＳ９１０へ進んで該ＮＯｘ触媒４２ｂは劣化していると判定され、本チャートは終了する。同じくＳ９０８でＮＯｘ低減量が所定値４より高い値を示すのであればＳ９１１へ進んで該ＮＯｘ触媒は、吸蔵放出能力は低下しているが、還元能力は劣化していないと判断されて本チャートを終了する。
【００８２】
Ｓ９０９でＮＯｘ低減量が、劣化していないＮＯｘ触媒が示す所定値５より低い値を示すのであれば、Ｓ９１２へ進んで所定期間内での還元量不足、すなわち添加燃料量不足と判定され、本チャートを終了する。同じくＳ９０９でＮＯｘ低減量が所定値５より高い値を示すのであれば、吸蔵放出機能、還元機能ともに正常な状態であり、該ＮＯｘ触媒４２ｂは劣化していないと判定され、本チャートを終了する。
【００８３】
以上より、第１の劣化判定方法である、劣化したＮＯｘ触媒のＮＯｘ放出量及びＮＯｘ濃度が変化することに基づくＮＯｘ触媒の劣化が判定可能となる。
【００８４】
上記第２の劣化判定方法、第１の劣化判定方法を行うことにより、ＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵機能、ＮＯｘ放出還元機能のそれぞれの面より劣化判定を行うことが可能となる。
【００８５】
尚、第２の劣化判定方法において本実施の形態では、図６にあるように、時間とＮＯｘ流量に基づいてその判定方法の概要を説明したものであるが、ここで劣化判定の基準として用いるものは、ＮＯｘ触媒４２ｂの上流と下流とのＮＯｘ流量の差の積分値であるＮＯｘ吸蔵量の最大値である。よって時間、ＮＯｘ濃度等のパラメータは、このＮＯｘ吸蔵量を指し示す上で便宜上用いたものであり、本発明を構成する上で必須要件となるものではない。つまりは、劣化を判定する触媒に吸蔵されるＮＯｘ量の最大値さえ確認できる方法であれば本発明である第２の劣化判定方法により劣化を判定することが可能となる。
【００８６】
また、第１の劣化判定方法においては、断続的に燃料を添加してＮＯｘ触媒４２ｂよりＮＯｘを断続的に放出させ、このＮＯｘ濃度の極大値の変化率を判定基準としてＮＯｘ触媒４２ｂの劣化を判定した。これ以外にも、例えば燃料添加を断続的に行った際の、各燃料添加時に放出されるＮＯｘ量の平均値を求め、この平均値の変化率を基にして劣化判定を行っても良い。また、より単純に、燃料添加が所定の期間に断続的に行われる際に、その所定の期間の最初と最後に行われた燃料添加によるＮＯｘ触媒より放出されるＮＯｘ濃度を測定して、最初のＮＯｘ放出に起因するＮＯｘ濃度と、最後のＮＯｘ放出に起因するＮＯｘ濃度とから求められる変化率及び変位差を基にして劣化判定を行っても良い。つまりは、ＮＯｘを断続に放出した際のＮＯｘ濃度の変化に基づいてＮＯｘ触媒の劣化判定を行うのである。
【００８７】
【発明の効果】
本発明に係る触媒の劣化判定装置及び方法を用いることにより、ＮＯｘセンサの個体差や経時変化に左右されずに該ＮＯｘ触媒の吸蔵能力の変化からＮＯｘ触媒の劣化程度を判定することが可能となる。更に、排気中の、特にＮＯｘに係る浄化工程であるＮＯｘの吸蔵及び排出還元それぞれの機能について個別にＮＯｘ触媒が劣化しているかどうかを判定することも可能となる。
【００８８】
また、本発明ではＮＯｘ触媒４２ｂに燃料添加を行ってＮＯｘ触媒の劣化判定を行う際には、断続して複数回燃料添加を行い、各燃料添加に起因するＮＯｘ濃度の極大値から導き出されるＮＯｘ濃度変化率を用いて劣化判定を行う。つまりは劣化判定に供する測定値を測定するために、異なる劣化判定試行時の各測定値を求め、この複数の測定値結果より総合的にＮＯｘ触媒の劣化判定を行うものである。よって、従来の単独のＮＯｘ触媒への燃料添加、すなわち唯一の劣化判定試行時に伴うＮＯｘ濃度の変化等をその劣化判定の測定値として用いる劣化判定方法に比べて、本発明の劣化判定方法では精度の高い判定結果を導き出すことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態に係るディーゼルエンジンシステムを示す概略構
成図。
【図２】同実施の形態に係る、ＥＣＵ周りの構成概念図。
【図３】同実施の形態に係る、触媒ケーシングの断面概念図。
【図４】同実施の形態に係る、触媒床温度と時間の関係を表すグラフ。
【図５】同実施の形態に係る、ＮＯｘ触媒能力低下時の還元剤添加制御例を
示すフローチャート。
【図６】同実施の形態に係る、触媒床温度とＮＯｘ吸蔵量の関係を表すグラ
フ。
【図７】同実施の形態に係る、ＮＯｘ吸蔵能力測定による劣化判定フローチ
ャート。
【図８】同実施の形態に係る、ＮＯｘ還元時のＮＯｘ放出量を表すグラフ。
【図９】同実施の形態に係る、ＮＯｘ放出量、ＮＯｘ低減量、ＮＯｘ放出量
変化による劣化判定フローチャート。
【符号の説明】
１エンジン
１０燃料供給系
１１サプライポンプ
１２コモンレール
１３燃料噴射弁
１４遮断弁
１７燃料添加ノズル
２０燃焼室
３０吸気系
３１インタークーラ
３２スロットル弁
４０排気系
４０ａ排気集合管
４０ｂ排気通路
４０ｃ排気通路
４２触媒ケーシング
４２ｂＮＯｘ触媒
５０ターボチャージャ
５１シャフト
５２タービンホイール
５３コンプレッサ
６０ＥＧＲ通路
６１ＥＧＲ弁
６２ＥＧＲクーラ
７０レール圧センサ
７１燃圧センサ
７２エアフローメータ
７３酸素濃度センサ
７４触媒流出排気温度センサ
７６アクセル開度センサ
７７クランク角センサ
７８ＮＯｘセンサ
８０電子制御装置（ＥＣＵ）
８１中央演算処理装置（ＣＰＵ）
８２読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）
８３ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
８４バックアップＲＡＭ
８５タイマカウンタ
８６入力ポート
８７出力ポート
８８双方向バス
Ｐ１機関燃料通路
Ｐ２添加燃料通路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine, and more particularly to a deterioration determination method based on the characteristics of a catalyst provided in the exhaust emission control device.
[0002]
[Prior art]
As one of the catalysts for purifying nitrogen oxide (NOx) in exhaust gas, NOx is occluded in an oxygen concentration excess atmosphere (lean atmosphere), and a reducing agent fuel is added to the exhaust gas to reduce the oxygen concentration atmosphere (rich). NOx occluded in the atmosphere) is released and reacted with fuel (HC) by an activated catalyst (Pt, etc.), N ₂ There is an NOx storage reduction catalyst that reduces the exhaust gas to the outside air.
[0003]
As described above, this NOx catalyst stores NOx in the exhaust gas in a lean atmosphere, and performs a reduction reaction on NOx that is activated and exhausted by the NOx storage agent that is released in a lean atmosphere and the fuel that is the reducing agent. It consists of a noble metal catalyst to be raised, and purifies exhaust by combining the occlusion and release function and the activation function, respectively.
[0004]
By the way, the exhaust gas discharged from the internal combustion engine contains a sulfur content such as sulfur oxide (SOx) composed of a sulfur component in addition to NOx, and the sulfur content represented by this SOx is also the NOx. Similarly, the NOx catalyst is occluded. However, the stored SOx cannot be released in the step of releasing and reducing NOx. Therefore, the NOx catalyst reduces the NOx storage capacity by storing SOx, and this is poisoned by S. That's it.
[0005]
In addition, when the NOx catalyst is used for a long period of time, the particle structure of the NOx catalyst is destroyed due to exposure to a high temperature or the like, and the surface area that is a reaction site with NOx or the like is reduced, so that the purification capacity of the catalyst is lowered. This is called sintering.
[0006]
Occurrence of the S poisoning, sintering, etc. causes the NOx catalyst to have a reduced storage capacity and a reduced NOx catalyst purification capacity. For this reason, conventionally, a technique has been disclosed that makes it possible to determine the deterioration of a NOx catalyst in a lean fuel internal combustion engine. For example, in Japanese Patent Laid-Open No. 11-229858, a NOx sensor is provided on the downstream side of a NOx catalyst, and when NOx is purified by adding fuel, the output value from the NOx sensor is measured at least twice. A technique is disclosed in which the deterioration of the NOx catalyst is judged when the difference or ratio of output values exceeds a predetermined value.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the conventional technique, the NOx concentration in the exhaust gas is detected by the NOx sensor, and the degree of deterioration of the NOx catalyst can be determined from the detection result. However, in the prior art, when the exhaust atmosphere, which is a regeneration means for regenerating the NOx storage capacity of the NOx catalyst, is changed from a lean atmosphere to a rich atmosphere, the change in the output value of the NOx sensor based on the change over time or the regeneration means The degree of deterioration of the NOx catalyst is judged based on the output values of the NOx sensor at least two times apart from each other in a lean atmosphere after execution and after the regeneration means.
[0008]
That is, when the NOx catalyst is regenerated by the regeneration means, the NOx catalyst deterioration is determined based on the NOx amount discharged from the NOx catalyst by switching the atmosphere of the NOx catalyst between a lean atmosphere and a rich atmosphere. For this reason, when there is an individual difference in the NOx sensor, or when the atmosphere is changed from a lean atmosphere to a rich atmosphere, when the oxygen concentration varies, the detection result of the NOx concentration changes, and the NOx catalyst is changed. The degree of deterioration cannot be judged correctly.
[0009]
The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to determine the degree of catalyst deterioration from changes in the storage capacity of the NOx catalyst without being influenced by individual differences in NOx sensors or changes with time.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-described problem, an exhaust purification apparatus in which an NOx catalyst that stores NOx in exhaust in an oxygen concentration excess atmosphere and releases NOx stored in an oxygen concentration reduced atmosphere is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine. The NOx concentration in the exhaust gas is detected downstream of the NOx catalyst, and the NOx in the NOx catalyst is changed by repeatedly changing the exhaust atmosphere to an oxygen concentration excess atmosphere and an oxygen concentration reduction atmosphere within a predetermined period. An exhaust purification device that intermittently releases the exhaust gas into the exhaust gas to obtain the released NOx concentration, and determines the deterioration state of the exhaust purification device based on the change rate and displacement difference of each NOx concentration within a predetermined period. Deterioration is determined by a deterioration determination method.
[0011]
Further, a NOx catalyst that stores NOx in the exhaust in an oxygen concentration excess atmosphere and releases NOx stored in the oxygen concentration reduced atmosphere is provided in an exhaust purification device provided in an exhaust passage of the internal combustion engine, and this NOx catalyst The NOx concentration in the exhaust gas is detected downstream of the exhaust gas, and the exhaust atmosphere is repeatedly changed to an oxygen concentration excess atmosphere and an oxygen concentration reduction atmosphere within a predetermined period, so that the NOx in the NOx catalyst is intermittently discharged into the exhaust gas. Deterioration is determined by a deterioration determination method of the exhaust purification device that determines the deterioration state of the exhaust purification device based on the detection results of the NOx concentration before and after the release.
[0012]
In order to perform these deterioration determination methods, a NOx catalyst provided in the exhaust passage of the internal combustion engine that stores NOx in the exhaust in an oxygen concentration excess atmosphere and releases the NOx stored in the oxygen concentration reduced atmosphere, and an exhaust atmosphere Regenerative means for intermittently releasing NOx in the NOx catalyst by repeatedly changing to an oxygen concentration excess atmosphere and an oxygen concentration lowering atmosphere, and detecting the NOx concentration in the exhaust provided downstream of the NOx catalyst, NOx concentration detecting means for detecting each NOx concentration intermittently released from the NOx catalyst when the regeneration means performs regeneration of the NOx catalyst, and regeneration of the NOx catalyst by the regeneration means continuously for a predetermined period. And determining the deterioration state of the catalyst based on the change rate and displacement difference of the NOx concentration detected by the NOx concentration detecting means during this period. The exhaust gas purifier deterioration determination device provided with the deterioration determination means was used.
[0013]
The deterioration determining device has NOx concentration detecting means for detecting NOx concentrations intermittently released from the NOx catalyst when the regeneration means is implemented, and NOx for detecting a maximum value of the detected NOx concentration. The concentration maximum value detecting means is provided.
[0014]
The degradation determination device detects the NOx concentration before and after the regeneration of the NOx catalyst by the regeneration unit by the NOx concentration detection unit, and determines the difference between the detected values before and after the regeneration. Based on this, deterioration determination means for determining the deterioration state of the catalyst is provided.
[0015]
When the NOx occluded in the NOx catalyst is released to regenerate the NOx occlusion function of the NOx catalyst, a reducing agent is added to the exhaust gas in order to change the catalyst atmosphere from an oxygen concentration excess atmosphere to an oxygen concentration lowering atmosphere. When this reducing agent is added, NOx is released from the NOx catalyst and sensed by NOx concentration detecting means such as a NOx sensor provided downstream of the NOx catalyst. If the NOx catalyst is not deteriorated, more NOx is released than when the reduction reaction is performed with the reducing agent due to the quick response of the reaction when the reducing agent is added and the large amount of occluded NOx. NOx is discharged downstream, and a maximum value (peak) with a large discharge amount is detected by the NOx sensor. On the other hand, in the case of a deteriorated catalyst, the NOx release amount decreases due to the deterioration of the quick response when the reducing agent is added and the NOx occlusion amount due to the deterioration, and the NOx sensor provided downstream of the NOx catalyst. The peak of NOx emissions is reduced.
[0016]
Further, when the NOx catalyst in which NOx is stored by adding the reducing agent is regenerated, the reducing agent is intermittently added, and NOx stored in the NOx catalyst is repeatedly released and reduced. At this time, the peak of the NOx concentration at each addition of the reducing agent gradually decreases, and finally, all the NOx stored in the NOx catalyst is released, and only the NOx present in the exhaust gas is detected. The NOx catalyst that has not deteriorated at this time has a large NOx occlusion capacity per unit time, unit surface area, and NOx release capacity, so the amount of NOx flowing out downstream of the NOx catalyst is much larger than before the addition of the reducing agent. And the peak of NOx concentration when NOx is intermittently released gradually decreases. However, since the deteriorated NOx catalyst also has a reduced NOx storage capacity and NOx release capacity, the NOx amount flowing out downstream of the NOx catalyst is slower than that before the addition of the reducing agent, and the NOx amount is slow and intermittent. In addition, the decrease in the peak of the NOx concentration when NOx is released does not appear remarkably.
[0017]
That is, the present invention is performed based on the above-described characteristics, and NOx discharged when a NOx purification process is performed by adding a reducing agent a plurality of times with a deteriorated NOx catalyst and a non-degraded NOx catalyst. Judgment of deterioration is made based on the difference in the peak of the quantity and the degree of change of the peak occurring multiple times. In addition, the deterioration of the NOx catalyst is also determined based on the difference between the NOx concentration downstream of the NOx catalyst before the purification step and the change in NOx concentration downstream of the NOx catalyst after the purification step.
[0018]
When determining NOx catalyst deterioration based on the peak generated when performing the NOx purification step, it is necessary to always perform the deterioration determination under the same conditions, so that the NOx storage amount of the NOx catalyst is satisfied. (Saturated state) is desirable. Similarly, it is desirable to measure the exhaust flow rate flowing into the NOx catalyst in a stable state.
[0019]
The same applies when determining the deterioration of the NOx catalyst based on the difference between the NOx concentration downstream of the NOx catalyst before the purification step and the change in NOx concentration downstream of the NOx catalyst after the purification step. Since it is necessary to determine deterioration under conditions, it is desirable that the NOx catalyst is saturated with NOx when measuring the NOx concentration before the exhaust purification step. In addition, the NOx concentration is measured after the exhaust purification step is to measure the NOx concentration on the downstream side of the NOx catalyst when NOx is not stored in the NOx catalyst. Therefore, the NOx concentration downstream of the NOx catalyst is measured not only after the exhaust purification process but also in a state where NOx is not occluded in the NOx catalyst, for example after a cold start, and this value and the NOx of the NOx downstream of the NOx catalyst when the NOx catalyst is saturated. The concentration of the catalyst may be measured and a catalyst deterioration determination may be performed as a comparison target.
[0020]
Next, a NOx catalyst that occludes NOx in the exhaust in an oxygen concentration excess atmosphere and releases NOx occluded in the oxygen concentration reduced atmosphere is provided in an exhaust purification device provided in the exhaust passage of the internal combustion engine. The NOx concentration in the exhaust gas is detected upstream and downstream of the catalyst, the NOx amount stored in the NOx catalyst is detected from the detection result, and the deterioration state of the exhaust gas purification device is determined based on the detection result of the NOx amount. The deterioration of the catalyst is determined by a method for determining the deterioration of the exhaust gas purification device characterized in that it is determined.
[0021]
In order to perform this deterioration determination method, a NOx catalyst provided in the exhaust passage of the internal combustion engine for storing NOx in the exhaust in an oxygen concentration excess atmosphere and releasing NOx stored in the oxygen concentration reduced atmosphere, and an internal combustion engine Catalyst inflow NOx amount detecting means for detecting the NOx amount in the exhaust gas discharged and flowing into the NOx catalyst, catalyst outflow NOx amount detecting means for detecting the NOx amount in the exhaust gas flowing out from the catalyst, and the catalyst inflow NOx The NOx amount detecting means for detecting the NOx amount occluded in the NOx catalyst from the difference in the detected NOx amount by the amount detecting means and the catalyst outflow NOx amount detecting means, and the occluded NOx amount detecting means. A deterioration determination device for an exhaust gas purification apparatus comprising deterioration determination means for determining the deterioration state of the catalyst based on the NOx occlusion amount was used.
[0022]
As described above, the deteriorated NOx catalyst is inferior in storage capacity to an undegraded NOx catalyst. Therefore, the storage amount of the NOx catalyst to be determined is calculated, and the degree of deterioration of the NOx catalyst to be determined is determined by comparing with the NOx storage amount of the NOx catalyst that has not been deteriorated. As a means for calculating the NOx occlusion amount, there is a method in which NOx sensors are provided upstream and downstream of the NOx catalyst, the NOx concentration in the exhaust gas is measured, and the difference between the NOx contained therein is obtained. Further, if the NOx amount exhausted from the internal combustion engine can be estimated in advance by a map or the like, it is obtained from the difference between the NOx amount estimated by the map and the NOx amount calculated from the NOx sensor provided on the downstream side of the NOx catalyst. May be.
[0023]
In carrying out the present invention, it is desirable that NOx is not stored in the NOx catalyst before the measurement is started. Since the determination is made based on the storage amount of the NOx catalyst, if NOx is stored in advance at the time of measurement, the NOx storage amount is reduced by the NOx amount stored in advance, and the non-deteriorated NOx catalyst is also deteriorated. This is because there is a possibility of misjudgment.
[0024]
By performing the deterioration determination method described above, it is possible to determine the deterioration of the NOx catalyst from the viewpoint of the NOx release / reduction ability and NOx storage ability of the NOx catalyst. The deterioration determination method based on the NOx release amount is defined as a first deterioration determination method, and the deterioration determination method based on the NOx occlusion amount is defined as a second deterioration determination method. At this time, by first performing the second deterioration determination method, NOx is stored in the NOx catalyst so as to be saturated, and thereafter, the first deterioration determination method is performed, whereby the first and second deterioration determination methods are performed in series. Can be done as
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment in which a deterioration determination device and method for an exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is applied to a diesel engine system will be described.
[0026]
In FIG. 1, an internal combustion engine (hereinafter referred to as an engine) 1 is an in-line four-cylinder diesel engine system that includes a fuel supply system 10, a combustion chamber 20, an intake system 30, an exhaust system 40, and the like as main parts. Hereinafter, the configuration of the diesel engine system will be described.
[0027]
The fuel supply system 10 includes a supply pump 11, a pressure accumulating chamber (common rail) 12, a fuel injection valve 13, a shutoff valve 14, a fuel addition nozzle 17, an engine fuel passage P1, an addition fuel passage P2, and the like.
[0028]
The supply pump 11 increases the pressure of the fuel pumped up from the fuel tank (not shown) and supplies it to the common rail 12 through the engine fuel passage P1. The common rail 12 has a function of holding (accumulating) high-pressure fuel supplied from the supply pump 11 at a predetermined pressure, and distributes the accumulated fuel to each fuel injection valve 13. The fuel injection valve 13 is an electromagnetic valve provided with an electromagnetic solenoid (not shown) therein, and is appropriately opened to supply and inject fuel into the combustion chamber 20.
[0029]
On the other hand, the supply pump 11 supplies a part of the fuel pumped up from the fuel tank to the fuel addition nozzle 17 via the added fuel passage P2. A shutoff valve 14 is disposed in the fuel passage P2 from the supply pump 11 toward the fuel addition nozzle 17. In an emergency, the shutoff valve 14 shuts off the added fuel passage P2 and stops the fuel supply. The fuel addition nozzle 17 is an electromagnetic valve similar to the fuel injection valve 13 and injects and adds fuel as a reducing agent into the exhaust system 40.
[0030]
The intake system 30 forms a passage (intake passage) for intake air supplied into each combustion chamber 20. On the other hand, the exhaust system 40 forms a passage (exhaust passage) for exhaust gas discharged from each combustion chamber 20.
[0031]
The engine 1 is provided with a known supercharger (turbocharger) 50. The turbocharger 50 includes a turbine wheel 52 and a compressor 53 that are connected via a shaft 51. One compressor 53 is exposed to intake air in the intake system 30, and the other turbine wheel 52 is exposed to exhaust gas in the exhaust system 40. The turbocharger 50 having such a configuration has an effect of increasing the intake pressure (supercharging effect) by rotating the compressor 53 using the exhaust flow (exhaust pressure) received by the turbine wheel 52.
[0032]
In the intake system 30, an intercooler 31 provided downstream of the turbocharger 50 forcibly cools the intake air whose temperature has been increased by supercharging. The throttle valve 32 provided further downstream than the intercooler 31 is an electronically controlled on-off valve whose opening degree can be adjusted in a stepless manner, and restricts the flow passage area of the intake passage under predetermined conditions. The function of adjusting (reducing) the supply amount of the intake air is provided.
[0033]
Further, an exhaust gas circulation passage (EGR passage) 60 that bypasses the upstream (intake system 30) and the downstream (exhaust system 40) of the combustion chamber 20 is formed in the engine 1. Specifically, the EGR passage 60 communicates the exhaust collecting pipe 40 a upstream of the turbocharger 50 in the exhaust system 40 and the downstream side of the throttle valve 32 in the intake system 30. The EGR passage 60 has a function of returning a part of the exhaust gas to the intake system 30 as appropriate. The EGR passage 60 is opened and closed steplessly by electronic control, and the exhaust gas flowing through the EGR passage 60 can be freely adjusted, and the exhaust gas passing through (circulating) the EGR passage 60 is cooled. EGR cooler 62 is provided.
[0034]
Further, in the exhaust system 40, an exhaust passage 40b along the exhaust gas flow path is provided downstream of the exhaust collecting pipe 40a connected from the combustion chamber and a portion where the turbine wheel 52 is provided, and a NOx catalyst casing 42 is provided downstream thereof. Further, the exhaust passage 40c is sequentially connected further downstream. The NOx catalyst casing 42 houses a NOx storage reduction catalyst 42b that purifies harmful components such as NOx contained in the exhaust gas, as will be described later.
[0035]
Further, various sensors are attached to each part of the engine 1, and signals related to the environmental conditions of the part and the operating state of the engine 1 are output.
[0036]
That is, the rail pressure sensor 70 outputs a detection signal corresponding to the fuel pressure stored in the common rail 12. The fuel pressure sensor 71 outputs a detection signal corresponding to the pressure (fuel pressure) of the fuel introduced into the fuel addition nozzle 17 among the fuel flowing through the added fuel passage P2. The air flow meter 72 outputs a detection signal corresponding to the flow rate (intake amount) of intake air upstream of the throttle valve 32 in the intake system 30. The oxygen concentration (A / F) sensor 73 outputs a detection signal that continuously changes in accordance with the oxygen concentration in the exhaust gas upstream of the catalyst casing 42 of the exhaust system 40. Similarly, the catalyst outflow exhaust temperature sensor 74 outputs a detection signal corresponding to the temperature of exhaust gas (exhaust temperature) downstream of the catalyst casing 42 of the exhaust system 40. The NOx sensor 78 outputs a detection signal corresponding to the concentration of NOx contained in the exhaust gas flowing out at the catalyst casing 42 outlet.
[0037]
Further, the accelerator opening sensor 76 is attached to an accelerator pedal (not shown), and outputs a detection signal that is a basis of a work amount required in the engine 1 according to the depression amount of the pedal. The crank angle sensor 77 outputs a detection signal (pulse) every time the output shaft (crankshaft) of the engine 1 rotates by a certain angle. Each of these sensors 70 to 79 is electrically connected to an electronic control unit (ECU) 80.
[0038]
As shown in FIG. 2, the ECU 80 includes a central processing unit (CPU) 81, a read only memory (ROM) 82, a random access memory (RAM) 83, a backup RAM 84 in which stored information is not erased even after the operation is stopped, and a timer counter 85. , An input port 86 including an A / D converter, and an output port 87 are connected to each other by a bidirectional bus 88.
[0039]
The ECU 80 inputs the detection signals of the various sensors through the input port 86, and based on these signals, the CPU 81 included in the ECU 80 performs basic control on the fuel injection of the engine 1 from the program stored in the ROM 82. In addition to the control, various controls related to the operating state of the engine 1 such as determination of the supply amount of the fuel injection related to the addition of the reducing agent (fuel that functions as the reducing agent) and the reducing agent (fuel) addition control related to the addition timing and the like are performed.
[0040]
The fuel supply system 10 that supplies fuel to each cylinder through the fuel injection valve 13, the NOx catalyst provided in the exhaust system 40, the ECU 80 that controls the functions of the fuel supply system 10 and the NOx catalyst, etc. The exhaust emission control device of the engine 1 according to the embodiment is configured. The fuel addition control and the like are performed through the operation of various members constituting the exhaust gas purification apparatus, including the ECU 80 that outputs a command signal related to the control.
[0041]
Next, among the components of the engine 1 described above, the configuration and functions of the catalyst casing 42 provided in the exhaust system 40 will be described in detail.
[0042]
FIG. 3 is an enlarged sectional view of the catalyst casing 42 shown in FIG. 1 together with a part of its internal structure. The catalyst casing 42 accommodates the NOx storage reduction catalyst 42b therein.
[0043]
The NOx catalyst 42b is, for example, alumina (AL ₂ O _Three ) As a main material, and functions as a NOx occlusion agent on the surface of the carrier, for example, alkali metals such as potassium (K), sodium (Na), lithium (Li), cesium (Cs), barium (Ba ), An alkaline earth metal such as calcium (Ca), or a rare earth such as yttrium (Y), and a noble metal such as platinum (Pt) that functions as an oxidation catalyst (noble metal catalyst) is supported. Consists of.
[0044]
The NOx storage agent has a characteristic of retaining NOx when the oxygen concentration in the exhaust gas is high and releasing NOx when the oxygen concentration in the exhaust gas is low. In addition, when NOx is released into the exhaust gas, if HC, CO, or the like is present in the exhaust gas, the noble metal catalyst promotes an oxidation reaction of these HC and CO, thereby converting NOx into an oxidizing component, HC, A redox reaction using CO as a reducing component occurs between the two. That is, HC and CO are CO ₂ And H ₂ Oxidized to O, NOx is N ₂ Reduced to
[0045]
Further, the noble metal catalyst constituting the NOx catalyst 42b promotes the oxidation of HC and raises the bed temperature by the heat of oxidation reaction of HC.
[0046]
Further, even when the NOx storage agent has a high oxygen concentration in the exhaust gas, if it retains a predetermined limit amount of NOx, it will no longer retain NOx. In the engine 1, before the NOx retention amount of the NOx catalyst 42b accommodated in the catalyst casing 42 reaches a limit, the NOx catalyst 42b is activated by adding and supplying a reducing agent upstream of the catalyst casing 42 in the exhaust passage. The control of reducing and purifying the held NOx and restoring the NOx holding ability of the NOx catalyst 42b is repeated at a predetermined interval.
[0047]
The NOx purification will be specifically described below.
[0048]
In general, in a diesel engine, the oxygen concentration of a mixture of fuel and air used for combustion in a combustion chamber is in a high concentration state in most operating regions. The oxygen concentration of the mixture used for combustion is usually reflected in the oxygen concentration in the exhaust gas as it is after subtracting the oxygen provided for combustion. If the oxygen concentration in the mixture is high, the exhaust gas The oxygen concentration inside is basically increased as well.
[0049]
On the other hand, as described above, the NOx catalyst 42b retains NOx if the oxygen concentration in the exhaust gas is high, and NOx if the oxygen concentration is low. ₂ Therefore, as long as the oxygen in the exhaust gas is at a high concentration, NOx is maintained. However, there is a limit in the NOx retention amount of the NOx catalyst 42b, and in the state where the NOx catalyst 42b retains the limit amount of NOx, NOx in the exhaust gas is not retained by the NOx catalyst 42b and the catalyst casing 42 is Go through.
[0050]
In order to restore the NOx retention action of the NOx catalyst 42b, it is necessary to add a reducing agent to the NOx storage agent in the NOx catalyst 42b. However, due to the configuration of the engine, the oxygen concentration is low when normal fuel injection is performed. That is, the exhaust gas containing a large amount of fuel as a reducing agent is difficult to be discharged.
[0051]
Therefore, in addition to the main fuel injection for power conversion performed in the combustion chamber of the internal combustion engine, a method of performing secondary fuel injection that mainly injects fuel as unburned fuel, or provided in the exhaust passage, The fuel is added to the exhaust gas by, for example, a method of injecting the fuel into the exhaust gas to increase the amount of the reducing agent component in the exhaust gas, and the NOx holding action is restored and regenerated by this reducing component (NOx catalyst regeneration control).
[0052]
When performing this NOx catalyst regeneration control, the amount of addition of fuel as a reducing agent, the timing of addition, and the like differ depending on the bed temperature of the NOx catalyst 42b to be regenerated, the NOx occlusion amount, and the like. In addition, when determining the addition amount and the addition timing, values are set based on the purification ability of the NOx catalyst 42b when the vehicle is mounted. However, if the NOx catalyst 42b is used for a long period of time, the exhaust purification ability of the NOx catalyst 42b changes due to its aging and the like. Therefore, it is necessary to determine the degree of deterioration of the NOx catalyst 42b and change the amount of reducing agent added in accordance with the degree of deterioration, or replace the NOx catalyst 42b.
[0053]
Hereinafter, the catalyst deterioration determination for the NOx catalyst 42b will be described. A characteristic of the NOx catalyst is that when the atmosphere around the NOx catalyst is a lean atmosphere, the NOx in the exhaust is occluded in the precursor, the atmosphere around the NOx catalyst changes to a rich atmosphere, and the NOx occluded in the precursor is released. . Therefore, when the NOx catalyst 42b is deteriorated, the NOx occlusion and release functions decline. The deterioration determination of the NOx catalyst is performed based on the decrease in the storage / release function due to this deterioration.
[0054]
In the current state control, the reducing agent addition start temperature is higher than the NOx occlusion start temperature in the NOx catalyst. Therefore, as shown in FIG. 4, in the new catalyst, the time from when the catalyst bed temperature reaches the NOx occlusion start temperature to when the fuel addition starts and the fuel addition starts (sections a and b). That is, NOx can be occluded until the NOx occlusion amount becomes saturated. However, since the NOx occlusion amount in the saturated state decreases when the NOx occlusion capacity decreases, the period until the NOx is occluded and becomes saturated is shortened (sections a to b ′).
[0055]
Therefore, it is necessary to shorten the time from the NOx occlusion start temperature to the fuel addition start temperature. As an example of shortening this time, early addition control based on the flowchart shown in FIG. 5 is performed.
[0056]
In this flowchart, in order to shorten the time from the NOx occlusion start temperature to the fuel addition start temperature, first, in S501, it is determined whether or not the NOx occlusion capacity is lowered. Here, if the NOx occlusion capacity is lowered, the process proceeds to S502. In S502 and S503, the catalyst bed temperature is determined. If the catalyst bed temperature is equal to or lower than the fuel addition start temperature in S502, the early addition control is necessary, and the process proceeds to S503. Next, in S503, it is determined whether or not the catalyst bed temperature is equal to or higher than the NOx occlusion start temperature. If the catalyst bed temperature is equal to or lower than the NOx occlusion start temperature, there is no need to perform early addition control, and the process returns to S502. If the catalyst bed temperature is equal to or higher than the NOx occlusion start temperature, the process proceeds to S504, and the catalyst bed temperature is raised to the fuel addition start temperature or higher. In S505, it is confirmed that the catalyst temperature rise is equal to or higher than the fuel addition start temperature, and the early addition control is terminated.
[0057]
That is, in FIG. 4, the catalyst bed temperature curve A representing a normal temperature rise is changed to a catalyst bed temperature curve B representing the case where the early addition control is performed, and at the point of time b ′ when the NOx saturation amount of the deteriorated catalyst is reached. When the catalyst bed temperature is lower than the temperature at which fuel addition can be started, NOx is not occluded and is discharged downstream of the catalyst casing 42, leading to deterioration of emissions during NOx purification. Therefore, the deterioration of the NOx catalyst is determined based on the decrease in the storage capacity of the deteriorated NOx catalyst, and the deterioration of the emission is prevented.
[0058]
A description will be given of a configuration necessary for performing the deterioration determination when determining the deterioration of the NOx catalyst 42b. A catalyst outflow exhaust gas temperature sensor 74 is provided downstream of the catalyst casing 42 shown in FIG. 1 to measure the catalyst bed temperature, and indirectly measures the catalyst bed temperature. Similarly, a NOx sensor 78 is provided downstream of the catalyst casing 42 to measure the NOx concentration in the exhaust discharged from the NOx catalyst 42b in the catalyst casing 42. From the concentration measured by the NOx sensor 78 and the inflow air amount calculated from the air flow meter 72 provided in the intake system 30, the NOx amount (Nout) flowing out downstream of the NOx catalyst 42b is calculated. As for the NOx amount (Nin) flowing into the NOx catalyst 42b, a map including the water temperature of the engine 1, the amount of fuel injected into the combustion chamber 20, the amount of air flowing into the combustion chamber 20 is stored in the ROM 82 in advance. Then, the amount of NOx flowing into the NOx catalyst 42b is calculated from the estimated NOx concentration in the exhaust discharged from the engine 1 and the amount of inflow air calculated from the air flow meter 72 using this map. Based on the above configuration, the deterioration determination of the NOx catalyst is performed.
[0059]
The NOx catalyst has a characteristic that the NOx occlusion amount becomes zero when the low bed temperature state continues for a long time, such as at a cold start. Therefore, after a cold start in which the bed temperature is low for a long time, the deterioration determination by the second deterioration determination method, which is a deterioration determination method based on the NOx occlusion amount, is started.
[0060]
A specific determination method is as follows. First, as shown in FIG. 6, after the cold start, the values of Nin and Nout shift at substantially the same value until the catalyst bed temperature reaches the storage start temperature (point a). Thereafter, when the catalyst bed temperature becomes equal to or higher than the storage start temperature, NOx storage is started in the NOx catalyst 42b, and a difference occurs in the amount of NOx in the exhaust upstream and downstream of the NOx catalyst 42b. This difference becomes the stored NOx amount (snox) of the NOx catalyst 42b. After the catalyst becomes higher than the storage start temperature and a difference occurs between Nin and Nout, the NOx stored in the NOx catalyst 42b reaches a saturated state and there is no difference between Nin and Nout (point b) ) Until snox is measured. Therefore, the total NOx amount (Snox) stored in the NOx catalyst 42b is obtained by integrating snox, which is the difference between Nin and Nout of the NOx catalyst 42b from the point a to the point b.
[0061]
If the obtained Snox is smaller than a predetermined value, it is determined that the NOx catalyst 42b has deteriorated. The above will be described based on the flowchart shown in FIG.
[0062]
First, in S701, it is determined whether or not the catalyst bed temperature is equal to or lower than a predetermined temperature a for a predetermined time. This is a step for confirming whether or not NOx is occluded in the catalyst. At this time, the predetermined temperature a is a new NOx catalyst in which NOx is occluded up to the maximum occlusion amount. The time and temperature required to release everything.
[0063]
Next, Nout and Nin are measured in S702 and S703. Thereafter, the process proceeds to S704, where it is determined whether or not the difference between Nin and Nout is greater than or equal to a predetermined value b. If snox is equal to or greater than the predetermined value b, the process proceeds to S708. If snox is equal to or smaller than the predetermined value b, the process proceeds to S705.
[0064]
In S705, it is determined whether or not the catalyst bed temperature is equal to or higher than a predetermined temperature c that is the storage start temperature. If the catalyst bed temperature is equal to or lower than the predetermined temperature c, the process returns to S702, and this routine is repeated until the predetermined temperature c is reached. If the catalyst bed temperature is equal to or higher than the predetermined temperature c, the process proceeds to S706, and it is considered that the catalyst does not have NOx storage capability. Next, in S707, it is determined that the catalyst is deteriorated due to damage or the like, and this routine is finished.
[0065]
In step S708, when it is determined that the difference between Nin and Nout is greater than or equal to the predetermined value c in S704, the difference between Nin and Nout: Nin−Nout = Occlusion amount: snox. Thereafter, the process proceeds to S709 and Nout is measured. Here, Nout is assumed to be a decrease in the storage amount due to the storage amount of the NOx catalyst 42b becoming close to saturation or a decrease in the storage capacity due to a decrease in the catalyst bed temperature. Therefore, the process proceeds to S710, and the catalyst bed temperature is measured. If the catalyst bed temperature is equal to or lower than the predetermined temperature d that is the storage start temperature, the NOx storage capability of the NOx catalyst 42b is reduced or stopped, and the routine returns to S701. Repeat again. If the catalyst bed temperature is equal to or higher than the predetermined temperature d, the process proceeds to S711.
[0066]
In S711, the snox is integrated to calculate the storage amount: Snox when the NOx catalyst 42b is saturated. Next, it progresses to S712 and it is determined whether the difference has generate | occur | produced between Nin and Nout. Since it is confirmed in S710 that the catalyst bed temperature is higher than the occlusion start temperature, if there is no difference between Nin and Nout, the NOx catalyst 42b does not cause an occlusion reaction, that is, NOx. Is considered saturated. If there is a difference between Nin and Nout, the routine returns to S709 and this routine is repeated until there is no difference between Nin and Nout.
[0067]
If there is no difference between Nin and Nout in S712, the process proceeds to S713, where Snox, which is the total NOx amount stored in the NOx catalyst 42b, is compared with a predetermined value e. This predetermined value e is the total amount of NOx occluded by a predetermined catalyst that has not deteriorated. If Snox is equal to or greater than a predetermined value e, it is determined that the catalyst has not deteriorated, and this routine is terminated. If Snox is equal to or less than the predetermined value e, it is determined that the catalyst has deteriorated, and this routine is terminated.
[0068]
From the above, it is possible to determine the deterioration of the catalyst based on the NOx storage ability of the NOx catalyst, which is the second deterioration determination method.
[0069]
Next, at point b in FIG. 6, after the NOx catalyst 42b is in a state where its NOx occlusion amount is saturated, the deterioration of the catalyst is determined from the function of releasing NOx into the exhaust gas in order to reduce and purify NOx.
[0070]
When NOx is stored in the NOx catalyst until saturation, the catalyst atmosphere is changed from a lean atmosphere to a rich atmosphere, that is, when a reducing agent is added to the NOx catalyst, the reducing agent is added once for a deteriorated NOx catalyst. It is publicly known that the amount of NOx released and the amount of NOx reduction are reduced. Further, when this reducing agent addition is repeatedly performed, the deteriorated NOx catalyst exhibits a characteristic that the change in the amount of NOx released becomes small. Therefore, focusing on the fact that the change in the NOx release amount becomes small, the first deterioration determination method, which is a deterioration determination method based on the NOx release amount, is performed.
[0071]
Specifically, the fuel addition as the reducing agent is repeatedly performed a plurality of times from the fuel addition nozzle 17 to the NOx catalyst 42b in which NOx has been occluded to the saturated state. By repeating the fuel addition a plurality of times, NOx stored in the NOx catalyst 42 b is released into the exhaust gas, and the released NOx is detected by the NOx sensor 78.
[0072]
By repeatedly performing fuel addition a plurality of times, as shown in FIG. 8, when fuel is added, the NOx concentration in the exhaust gas rises, and the maximum value (peak) of the NOx concentration is shown at each fuel addition. In the new catalyst, the peak increases at the first fuel addition, and the peak decreases rapidly each time fuel is repeatedly added. That is, the rate of change of the peak generated by repeatedly adding fuel to the initial peak increases. On the other hand, in the case of a deteriorated catalyst, the peak at the time of the first fuel addition is not so large, and when the fuel is repeatedly added thereafter, the decrease in the peak is slow. That is, the rate of change of the peak that occurs repeatedly with respect to the initial peak is small.
[0073]
At the same time, as shown in FIG. 8, the new catalyst has a large reduction amount of NOx concentration after repeated addition of fuel with respect to the NOx concentration before the start of fuel addition, whereas the deteriorated catalyst before the start of fuel addition. The amount of reduction in NOx concentration after repeated addition of fuel to the NOx concentration is reduced.
[0074]
Therefore, the change rate of the peak when the fuel is repeatedly added to the non-degraded NOx catalyst that has occluded NOx to the saturated state and the amount of reduction in the NOx concentration before and after the fuel addition are determined as predetermined values. On the other hand, the change rate of the peak generated when the fuel addition of the NOx catalyst for performing the deterioration determination is repeatedly performed, and the reduction amount of the NOx concentration after the fuel addition is repeatedly performed before the fuel addition is repeatedly performed, If the peak change rate is low and the amount of NOx concentration reduction is small compared to the predetermined value, it is determined that the deterioration has occurred.
[0075]
In addition, when the rate of change of the peak of the NOx catalyst that performs the deterioration determination obtained above is large but the amount of reduction in the NOx concentration is small, it is assumed that the amount of fuel that is a reducing agent is insufficient. On the contrary, the change rate of the peak of the NOx catalyst is small, but when the amount of reduction of the NOx concentration is large, the storage capacity of the NOx catalyst is assumed to be lowered.
[0076]
The above will be described based on the flowchart shown in FIG.
[0077]
First, in S901, it is confirmed whether or not NOx is stored in the NOx catalyst 42b until saturation. This is because when the fuel is added to the NOx catalyst, that is, when the atmosphere of the NOx catalyst is made rich, the amount of NOx discharged from the NOx catalyst depends on the amount of NOx stored in the NOx catalyst. This is because when performing the determination, the deterioration determination is performed with respect to a constant NOx occlusion amount, that is, a saturated NOx occlusion amount. If it is determined in S901 that the predetermined amount NOx is occluded, the process proceeds to S902. If it is determined that the predetermined amount NOx is not occluded, this step is repeated until the predetermined amount NOx is occluded.
[0078]
Next, in S902, the fuel as the reducing agent is intermittently added a plurality of times within a predetermined period. At this time, as the number of fuel additions proceeds, the amount of NOx released from the NOx catalyst decreases, so the amount of fuel that is a reducing agent must also be reduced. Therefore, the amount of fuel added is adjusted in S903 and S904. That is, in S903, if the value of the oxygen concentration sensor 73 is equal to or less than a predetermined oxygen concentration (predetermined value 1), the process proceeds to S905 and S902 to increase the addition amount. In S904, if the value of the oxygen concentration sensor 73 is equal to or higher than a predetermined oxygen concentration (predetermined value 2), the process proceeds to S906 and S902 to decrease the addition amount.
[0079]
After confirming that fuel is correctly added to the NOx catalyst 42b in steps S902 to S906, the process proceeds to S907 to determine the deterioration of the NOx catalyst 42b.
[0080]
In S907, a determination is made regarding the rate of change in NOx concentration resulting from the amount of NOx released within a predetermined period. If the change rate is lower than the predetermined value 3 indicated by the NOx catalyst that has not deteriorated, the process proceeds to S908, and if the change rate is higher than the predetermined value 3, the process proceeds to S909. In both S908 and S909, determination is made regarding the NOx concentration before the predetermined period in which the fuel is added and the NOx reduction amount, which is the amount of change in the NOx concentration after the predetermined period in which the fuel is added.
[0081]
If the NOx reduction amount is lower than the predetermined value 4 indicated by the NOx catalyst that has not deteriorated in S908, the routine proceeds to S910, where it is determined that the NOx catalyst 42b has deteriorated, and this chart ends. Similarly, if the NOx reduction amount is higher than the predetermined value 4 in S908, the process proceeds to S911, where it is determined that the NOx catalyst has a reduced storage capacity, but that the reduction capacity has not deteriorated. Exit.
[0082]
If the NOx reduction amount shows a value lower than the predetermined value 5 indicated by the non-degraded NOx catalyst in S909, the process proceeds to S912, where it is determined that the reduction amount is insufficient within the predetermined period, that is, the added fuel amount is insufficient. End the chart. Similarly, if the NOx reduction amount shows a value higher than the predetermined value 5 in S909, it is determined that both the storage / release function and the reduction function are normal, and the NOx catalyst 42b is not deteriorated, and this chart is ended. .
[0083]
From the above, it is possible to determine the deterioration of the NOx catalyst based on the change in the NOx release amount and NOx concentration of the deteriorated NOx catalyst, which is the first deterioration determination method.
[0084]
By performing the second deterioration determination method and the first deterioration determination method, it is possible to perform deterioration determination from the respective aspects of the NOx storage function and NOx release reduction function of the NOx catalyst.
[0085]
In the second embodiment, in the second deterioration determination method, as shown in FIG. 6, the outline of the determination method is described based on the time and the NOx flow rate. Here, the second deterioration determination method is used as a reference for deterioration determination. What is the maximum value of the NOx occlusion amount, which is an integral value of the difference between the NOx flow rates upstream and downstream of the NOx catalyst 42b. Therefore, parameters such as time and NOx concentration are used for the sake of convenience in indicating this NOx occlusion amount, and are not indispensable for constituting the present invention. In other words, the deterioration can be determined by the second deterioration determination method according to the present invention as long as the maximum NOx amount stored in the catalyst for determining deterioration can be confirmed.
[0086]
Further, in the first deterioration determination method, fuel is intermittently added and NOx is intermittently released from the NOx catalyst 42b, and the deterioration rate of the NOx catalyst 42b is determined using the change rate of the maximum value of the NOx concentration as a determination criterion. Judged. In addition to this, for example, when fuel addition is intermittently performed, an average value of the amount of NOx released at the time of each fuel addition may be obtained, and deterioration determination may be performed based on the change rate of the average value. Further, more simply, when fuel addition is intermittently performed during a predetermined period, the NOx concentration released from the NOx catalyst by the fuel addition performed at the beginning and the end of the predetermined period is measured, The deterioration determination may be performed based on the change rate and the displacement difference obtained from the NOx concentration resulting from the NOx release and the NOx concentration resulting from the last NOx release. That is, the deterioration determination of the NOx catalyst is performed based on the change in the NOx concentration when NOx is intermittently released.
[0087]
【The invention's effect】
By using the catalyst deterioration determination device and method according to the present invention, it is possible to determine the degree of deterioration of the NOx catalyst from the change in the storage capacity of the NOx catalyst without being influenced by individual differences of the NOx sensors or changes with time. Become. Further, it is possible to determine whether or not the NOx catalyst is deteriorated individually for each function of NOx occlusion and exhaust reduction, which is a purification process related to NOx, particularly in exhaust gas.
[0088]
Further, in the present invention, when the NOx catalyst 42b is subjected to fuel addition to determine the deterioration of the NOx catalyst, the fuel is intermittently added a plurality of times, and the NOx derived from the maximum value of the NOx concentration resulting from each fuel addition. Degradation is determined using the density change rate. In other words, in order to measure the measurement value used for the deterioration determination, each measurement value at the time of different deterioration determination trials is obtained, and the NOx catalyst deterioration determination is comprehensively performed based on the plurality of measurement value results. Therefore, the deterioration determination method of the present invention is more accurate than the conventional deterioration determination method using fuel addition to a single NOx catalyst, that is, a change in NOx concentration accompanying a single deterioration determination trial as a measured value of the deterioration determination. It is possible to derive a high determination result.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a diesel engine system according to an embodiment of the present invention.
Chart.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a configuration around an ECU according to the embodiment.
FIG. 3 is a conceptual cross-sectional view of a catalyst casing according to the same embodiment.
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the catalyst bed temperature and time according to the embodiment.
FIG. 5 shows an example of reducing agent addition control when the NOx catalyst capacity is lowered according to the embodiment;
The flowchart shown.
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the catalyst bed temperature and the NOx occlusion amount according to the embodiment.
Huh.
FIG. 7 is a flowchart for determining deterioration by measuring NOx storage capacity according to the embodiment.
Yat.
FIG. 8 is a graph showing the amount of NOx released during NOx reduction according to the same embodiment.
FIG. 9 shows the NOx release amount, NOx reduction amount, and NOx release amount according to the embodiment.
The deterioration determination flowchart by a change.
[Explanation of symbols]
1 engine
10 Fuel supply system
11 Supply pump
12 Common rail
13 Fuel injection valve
14 Shut-off valve
17 Fuel addition nozzle
20 Combustion chamber
30 Intake system
31 Intercooler
32 Throttle valve
40 Exhaust system
40a Exhaust collecting pipe
40b Exhaust passage
40c Exhaust passage
42 Catalyst casing
42b NOx catalyst
50 turbocharger
51 shaft
52 Turbine wheel
53 Compressor
60 EGR passage
61 EGR valve
62 EGR cooler
70 Rail pressure sensor
71 Fuel pressure sensor
72 Air Flow Meter
73 Oxygen concentration sensor
74 Exhaust temperature sensor for catalyst outflow
76 Accelerator position sensor
77 Crank angle sensor
78 NOx sensor
80 Electronic control unit (ECU)
81 Central processing unit (CPU)
82 Read-only memory (ROM)
83 Random access memory (RAM)
84 Backup RAM
85 Timer counter
86 Input port
87 output port
88 bidirectional bus
P1 Engine fuel passage
P2 added fuel passage

Claims

A NOx catalyst that is provided in the exhaust passage of the internal combustion engine and stores NOx in the exhaust in an oxygen concentration excess atmosphere and releases the NOx stored in the oxygen concentration reduced atmosphere;
Regenerating means for intermittently releasing NOx in the NOx catalyst by repeatedly changing the exhaust atmosphere into an oxygen concentration excess atmosphere and an oxygen concentration lowering atmosphere;
NOx concentration detection means that is provided downstream of the NOx catalyst and detects NOx concentration in the exhaust gas, and detects NOx concentration intermittently released from the NOx catalyst when the regeneration means regenerates the NOx catalyst. When,
Degradation in which the regeneration means continuously regenerates the NOx catalyst for a predetermined period, and determines the degradation state of the catalyst based on the change rate and displacement difference of the NOx concentration detected by the NOx concentration detection means during this period. An exhaust purification device deterioration determination device comprising: a determination means.

The NOx concentration detecting means detects the NOx concentration before and after the regeneration of the NOx catalyst by the regeneration means, and the deterioration of the catalyst based on the difference between the detected values before and after the regeneration. The deterioration determination device for an exhaust gas purification apparatus according to claim 1, further comprising deterioration determination means for determining a state.

The exhaust gas purification device deterioration determination according to claim 1 or 2, further comprising NOx concentration maximum value detecting means for detecting a maximum value of the NOx concentration based on the NOx concentration detected by the NOx concentration detecting means. apparatus.

The catalyst detects the maximum value with the NOx concentration maximum value detecting means, and based on the change rate and the displacement difference of the maximum value of the NOx concentration that occurs last with respect to the maximum value of the NOx concentration that occurs first within a predetermined period, the catalyst The deterioration determination device for an exhaust gas purification apparatus according to claim 3 , further comprising deterioration determination means for determining the deterioration state of the exhaust gas purification apparatus.

A NOx catalyst that stores NOx in the exhaust in an atmosphere with excess oxygen concentration and releases NOx stored in the atmosphere with a reduced oxygen concentration is provided in an exhaust purification device provided in the exhaust passage of the internal combustion engine, and downstream of the NOx catalyst. The NOx concentration in the exhaust gas is detected at the same time, and the exhaust atmosphere is repeatedly changed into an oxygen concentration excess atmosphere and an oxygen concentration lowering atmosphere within a predetermined period to intermittently release NOx in the NOx catalyst into the exhaust gas. A method for determining the deterioration of an exhaust purification device, which determines the released NOx concentration and determines a deterioration state of the exhaust purification device based on a change rate and a displacement difference of each NOx concentration within a predetermined period.