JP4978856B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に係り、特に、ＮＯｘ触媒等の排ガス浄化触媒を加熱するのに好適な加熱ガス生成装置を備えた内燃機関の排気浄化装置に関する。

ディーゼルエンジン等の酸素過多（リーン）な状態で燃焼が行われる内燃機関においては、その排気温度が、ストイキ状態で燃焼が行われるガソリンエンジンに比べて低いことが知られている。そして、この排気温度が低いことに起因して、排気通路に設置されたＮＯｘ触媒等の排ガス浄化触媒が活性化しづらいという問題がある。特に、車両に搭載された内燃機関の場合、排ガス浄化触媒が内燃機関の燃焼室から離れた位置に設置されたり、車両の床下に設置されて走行風を受けたりするため、排ガス浄化触媒が高温となりづらく活性化しづらいという問題がある。また、内燃機関の低温始動時に排ガス浄化触媒を早期に活性化したいという要請もある。

この対策として、従来、次のような加熱ガス生成装置が提案されている。即ちこの装置は、排ガス浄化触媒の上流側の排気通路に設けられた酸化機能を有する第一及び第二触媒と、第一触媒に燃料を供給する燃料供給弁とを備える。供給された燃料は第一及び第二触媒で順次燃焼され、高温の加熱ガスを生成する。この生成された加熱ガスにより、下流側の排ガス浄化触媒を加熱することができる。

一方、排ガス浄化触媒として、還元剤としての尿素水を用いて排気ガス中のＮＯｘを連続的に還元処理する選択還元型ＮＯｘ触媒（所謂尿素ＳＣＲ）が知られている。この選択還元型ＮＯｘ触媒を用いた排気浄化装置では、尿素水が排気熱もしくは触媒熱により蒸発し、加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアとＮＯｘが触媒内で反応してＮＯｘが還元浄化される。

この選択還元型ＮＯｘ触媒を、加熱ガス生成装置により生成された加熱ガスで加熱することが考えられる。しかしこの場合、加熱ガス生成装置から燃料の燃え残りである炭化水素ＨＣが排出されてしまうと、排出ＨＣがＮＯｘ触媒内におけるアンモニアとＮＯｘの反応を抑制したり、ＮＯｘ触媒をＨＣ被毒させたりする不具合が生じる。よって、加熱ガス生成装置からＨＣが排出されないよう、燃料供給量を制御する必要がある。

なお、特許文献１には、選択還元型ＮＯｘ触媒のＳＯＦ被毒を防止すべく、ＮＯｘ触媒がＨＣによって被毒しない上限のＨＣ濃度となるように還元剤供給量を決定することが開示されている。

ところが、かかる燃料供給量制御を行うだけでは十分ではない。すなわち、加熱ガス生成装置の触媒がＨＣ被毒していたり、劣化して本来の性能を発揮できなくなったりしていると、燃料供給量を正確に制御したとしても燃料の一部が燃え残り、ＨＣが排出されてしまう。

そこで、本発明は以上の事情に鑑みて創案されたものであり、その一の目的は、加熱ガス生成装置の触媒のＨＣ被毒や劣化を検出し、加熱ガス生成装置からのＨＣ排出を未然に防止し得る内燃機関の排気浄化装置を提供することにある。

特開平１１−２１０４４７号公報

本発明の一の形態によれば、
内燃機関の排気通路内を流れる排気ガスの一部を利用して加熱ガスを生成する加熱ガス生成装置であって、酸化機能を有する触媒と、該触媒に燃料を供給する燃料供給ノズルと、ヒータとを有する加熱ガス生成装置と、
前記加熱ガスによって加熱されるべく、前記加熱ガス生成装置の下流側に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒と、
前記ＮＯｘ触媒の入ガス温を検出する入ガス温センサと、
前記ＮＯｘ触媒の入ガス温を推定する入ガス温推定手段と、
前記加熱ガス生成装置の少なくとも前記燃料供給ノズルの作動時に、前記入ガス温センサにより検出された実際の入ガス温と前記入ガス温推定手段により推定された推定入ガス温とを取得し、これら取得した値の比較結果に基づいて、前記加熱ガス生成装置の前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の一方を検出する診断手段と
を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置が提供される。

これによれば、加熱ガス生成装置の触媒のＨＣ被毒及び劣化の一方を検出する診断手段が備えられるので、ＨＣ被毒及び劣化の一方が検出されたときに加熱ガス生成装置の作動を禁止するなど必要な措置を執ることができ、加熱ガス生成装置からのＨＣ排出を未然に防止することができる。

好ましくは、前記排ガス浄化ユニットが、選択還元型ＮＯｘ触媒からなる。

代替的に、前記排ガス浄化ユニットが、酸化触媒またはパティキュレートフィルタからなってもよい。

好ましくは、前記診断手段は、先ず前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の何れかが発生していることを検出し、次いで所定の被毒回復処理を実行した後、前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の一方を特定して検出する。これにより、診断精度の向上を図ることができる。

好ましくは、前記診断手段は、前記加熱ガス生成装置の少なくとも前記燃料供給ノズルの作動時、第１のタイミングにて取得した前記実際の入ガス温と前記推定入ガス温との差が所定値を超えているときに前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の何れかが発生していることを検出し、次いで前記燃料供給ノズルを停止し且つ前記ヒータを作動させて被毒回復処理を実行した後、再度少なくとも前記燃料供給ノズルを作動させ、当該作動時における第２のタイミングにて取得した前記実際の入ガス温と前記推定入ガス温との差が所定値を超えているときに前記触媒の劣化を検出する。

好ましくは、前記診断手段は、前記第１のタイミングにて取得した前記実際の入ガス温と前記推定入ガス温との差に基づいて前記被毒回復処理の時間を設定する。

好ましくは、前記入ガス温推定手段が、前記触媒に対する入熱量と出熱量との差の積算値に基づいて前記触媒の蓄熱量を算出すると共に、前記触媒の蓄熱量と、前記触媒に対する入ガス流量と、排ガス流量とに基づいて前記入ガス温を推定する。本発明によれば、加熱ガス生成装置の触媒のＨＣ被毒及び劣化の一方を検出し、加熱ガス生成装置からのＨＣ排出を未然に防止し得る内燃機関の排気浄化装置を提供することができるという、優れた効果が発揮される。

本発明の好適実施形態の概略断面図である。 好適実施形態の作動を説明するための概略断面図である。 診断実行時のＮＯｘ触媒入ガス温の推移を示すタイムチャートである。 加熱ガス生成装置の触媒への入熱量に関するグラフである。 触媒への入ガス流量、排ガス流量及び触媒温度の関係を示すグラフである。 診断及び尿素水供給制御の手順を示すフローチャートである。 温度差と被毒回復処理時間の関係を規定するマップを示す。 加熱ガス生成装置の様々な設置位置を示す概略図である。

以下、本発明の好適実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

以下においては、本発明が車両用ディーゼルエンジンに適用された例を説明する。図１は本実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置を示し、排気ガスは図中左側から右側へと流れるようになっている（図２参照）。なお、排気ガス流れ方向の上流側を「前」、下流側を「後」ともいう。

排気通路１は、排気管２によって画成されると共にその上流端が図示しないエンジン本体の排気ポートに連通されている。排気通路１には、排気通路１内を流れる全ての排気ガスのＮＯｘを浄化するためのＮＯｘ触媒３が設けられている。このＮＯｘ触媒３は、排気ガスを浄化するための排ガス浄化ユニットを形成する。

ＮＯｘ触媒３は選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）からなり、尿素水からなる還元剤の供給を受けて排気ガス中のＮＯｘを連続的に還元除去する。ＮＯｘ触媒３は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持したものや、その基材表面にＣｕ、Ｆｅ等の遷移金属をイオン交換して担持させたもの、その基材表面にチタニヤ／バナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５／ＷＯ_３／ＴｉＯ_２）を担持させたもの等が例示できる。ＮＯｘ触媒３は、その触媒温度が活性温度域にあり、且つ、尿素水が供給或いは添加されているときにＮＯｘを還元可能である。ＮＯｘ触媒に対して尿素水が添加されると、尿素水が蒸発及び加水分解してアンモニアが生成され、このアンモニアがＮＯｘ触媒内でＮＯｘと反応し、ＮＯｘが還元される。この反応を化学式で表すと次のようになる。
ＮＯ＋ＮＯ_２＋２ＮＨ_３→２Ｎ_２＋３Ｈ_２Ｏ

ＮＯｘ触媒３の上流側には、尿素水を供給するための尿素水供給ノズル４が設けられている。この尿素水供給ノズル４は電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称す）１００に接続され、制御される。なお、供給された尿素水Ｎが仮想線で示されている。

前述したように、本実施形態に係るディーゼルエンジンでは排気温度が比較的低く、ＮＯｘ触媒３が活性化しづらい傾向にある。また車両用エンジンの場合、ＮＯｘ触媒３が燃焼室から離れた位置に設置されたり、車両の床下に設置されて走行風を受けたりすることがあるため、ＮＯｘ触媒３が活性化しづらい傾向にある。さらにエンジンの低温始動時にＮＯｘ触媒３を早期に活性化したいという要請もある。

このため、ＮＯｘ触媒３をエンジン始動後に早期に活性化させ、またその活性状態を維持すべく、ＮＯｘ触媒３の上流側には、排気通路１内を流れる排気ガスの一部を利用して加熱ガスを生成する加熱ガス生成装置１０が設けられている。この加熱ガス生成装置１０を設けることによって、加熱ガス生成装置１０で生成された加熱ガスをＮＯｘ触媒３に供給し、当該加熱ガスでＮＯｘ触媒３を加熱し、ＮＯｘ触媒３の早期活性化や活性状態維持を促進することができる。

加熱ガス生成装置は、酸化機能を有する触媒と、この触媒に燃料を供給する燃料供給ノズルとを有し、燃料供給ノズルから供給された燃料を触媒内で排気ガスの一部と反応させ、酸化、燃焼させることで加熱ガスを生成する。本実施形態の場合、図１に示すように、加熱ガス生成装置１０は、直列且つ２段に設けられた二つの触媒、即ち前段触媒１１と後段触媒１２とを有する。そして燃料供給ノズル１３は、最前段の触媒たる前段触媒１１の前面入口部に向かって燃料を噴射供給する。なお供給された燃料Ｆが仮想線で示されている。代替的に、触媒の数は一つとすることもできるし、三つ以上とすることもできる。これら触媒１１，１２は、供給燃料に含まれる炭化水素ＨＣを酸素Ｏ_２と反応させて酸化させる酸化触媒からなり、例えば、コージェライト等からなる担体の表面にコート材を形成し、このコート材に活性点をなすＰｔ等の貴金属微粒子を多数分散配置させて構成されている。但し、加熱ガス生成装置１０に用いられる触媒は酸化機能を有するものであれば任意であり、例えば三元触媒を用いることも可能である。

これら触媒１１，１２は一定径の円筒状とされ、その外周部に金属製のケーシング１１Ａ，１２Ａを有する。これら触媒１１，１２は排気通路１内に、所定間隔Ｌの隙間を隔てて配置されている。またこれら触媒１１，１２は互いに同軸となるよう配置され、排気通路１とも同軸となるよう配置されている。触媒１１，１２は図示しない支持部材により、排気通路１内に浮いた状態で配置されている。触媒１１，１２は、その軸方向に延びてガスを流通させるための多数のセルを有する。触媒１１，１２は、ガスが各セルを独立に通過する所謂フロースルー型、あるいは、各セルの前端部と後端部とが千鳥状に交互に閉止され、一つのセルに導入したガスをセル間の隔壁（例えば多孔質セラミックからなる）を通じて隣接セルから排出する所謂ウォールフロー型とされる。

本実施形態では、後段触媒１２の外径Ｄ２が前段触媒１１の外径Ｄ１より大きくされ、またこれら外径Ｄ１，Ｄ２は排気通路１の内径ｄより小さくされる。よって、後段触媒１２の断面積は前段触媒１１の断面積より大きくされ、両触媒１１，１２の断面積は排気通路１の断面積より小さくされ、触媒１１，１２は排気通路１の断面積のうちの一部を占めるようになる。これにより、前段触媒１１には、排気通路１内を流れる排気ガスの一部が導入されるようになり、後段触媒１２には、前段触媒１１に導入されなかった排気ガスの一部が導入されるようになる。

以下、排気通路１内を流れる排気ガスのうち、前段触媒１１に導入される一部を第１の部分と称し、後段触媒１２に導入される一部を第２の部分と称する。また、前段触媒１１から排出される加熱ガスを第１の加熱ガスと称し、後段触媒１２から排出される加熱ガスを第２の加熱ガスまたは単に加熱ガスと称する。他方、前段触媒１１及び後段触媒１２の半径方向外側には、これら触媒１１，１２に導入されない排気ガス（残部と称す）が流通される断面円環状の主通路１４が形成される。

前段触媒１１に導入されなかった排気ガスの一部を後段触媒１２に導入するための導入路１５が設けられる。本実施形態において、導入路１５は、後段触媒１２のケーシング１２Ａから前方に延びて前段触媒１１の外周部を覆う管状部材１６により画成される。つまり、管状部材１６と前段触媒１１との間に形成された環状空間が導入路１５をなす。管状部材１６は、その後端がケーシング１２Ａに接続されると共に、前方に至るほど縮径するテーパ形状とされている。従って導入路１５の断面積は後方即ち下流側に向かうほど大きくなる。この構成により、主通路１４及び導入路１５における通路抵抗を減少することができる。管状部材１６の前端は前段触媒１１の前端より若干後方に位置され、管状部材１６は前段触媒１１の少なくとも後半部を部分的に覆うようになっている。

なお、この多段触媒に関する構成については種々の変形が可能である。例えば、前段触媒１１及び後段触媒１２の軸心と排気通路１の軸心とは必ずしも同軸でなくてもよく、また平行でなくてもよい。前段触媒１１及び後段触媒１２を互いに同軸とせず、多少オフセットさせたり傾けたりしてもよい。管状部材１６の内径を一定としたり、導入路１５の断面積を一定とすることも可能である。また管状部材１６を、前端の方が後端より大径である逆テーパ状とすることも可能である。前段触媒１１及び後段触媒１２の断面形状は円に限らず、楕円、半円、多角形などの他の形状とすることができる。

燃料供給ノズル１３は、排気管２に固定支持されると共に、最前段の触媒たる前段触媒１１の上流側から前段触媒１１の前端面１１Ｆないし入口面に向けて燃料Ｆを噴射する。燃料については、エンジンの燃料である軽油が使用されるが、エンジンの燃料以外の燃料が使用されてもよい。燃料供給ノズル１３は、前段触媒１１の内部に直接燃料を供給するように構成されていてもよい。燃料供給ノズル１３はＥＣＵ１００により制御される。

前段触媒１１の入口部にはヒータ１７が設けられている。ヒータ１７は、電気式であり、前段触媒１１の前端面１１Ｆの直前位置に配置され、特にその先端の加熱部１７Ａが前端面１１Ｆの中心付近に位置されている。なお、ヒータ１７の加熱部１７Ａを前段触媒１１の内部に配置して前段触媒１１を直接加熱してもよい。このヒータ１７もＥＣＵ１００により制御される。本実施形態のヒータ１７は、燃料供給ノズル１３から供給された燃料Ｆがヒータ１７の加熱部１７Ａに当たるように配置されている。

このヒータ１７を設けることにより、燃料供給ノズル１３から供給された燃料の蒸発、酸化及び燃焼が促進され、加熱ガスの生成と、前段触媒１１及び後段触媒１２の活性化とを促進することができる。

また、互いに隣り合う前段触媒１１及び後段触媒１２の間に、前段触媒１１から排出された第１加熱ガスを分散させるための分散部材２０が設けられている。分散部材２０は筒状の部材、特に円筒部材２１からなる。円筒部材２１は前段触媒１１のケーシング１１Ａと同一の外径及び内径を有し、前段触媒１１と同軸に配置されている。円筒部材２１の前端は開放され、前段触媒１１のケーシング１１Ａの後端に接続される。これにより円筒部材２１は前段触媒１１から後方に突出して設けられることとなる。円筒部材２１の後端は閉止板２２により閉止され、閉止板２２が前段触媒１１の後端面１１Ｒに対向される。

円筒部材２１の前端と後端の間を軸方向に延びる周側面部２３には、複数の孔２４が設けられる。これら孔２４を通じて、前段触媒１１から円筒部材２１内に排出された第１加熱ガスが複数の半径方向に排出される。他方、円筒部材２１の閉止板２２には孔が設けられていない。これにより当該閉止板２２は、前段触媒１１から排出された第１加熱ガスを衝突させてその流れの向きを変えるためのじゃま板を形成する。

ＮＯｘ触媒３の入口部ないし直前位置には、ＮＯｘ触媒３に流入する排気ガス（入ガスと称す）の温度（入ガス温と称す）を検出する入ガス温センサ３０が設けられている。また図示しないが、ＮＯｘ触媒３の出口部ないし直後位置には、ＮＯｘ触媒３から流出する排気ガス（出ガスと称す）の温度（出ガス温と称す）を検出する出ガス温センサが設けられている。これら入ガス温センサ３０及び出ガス温センサはＥＣＵ１００に接続されている。

ＥＣＵ１００は、これらセンサにより検出された入ガス温及び出ガス温に基づき、ＮＯｘ触媒３の温度Ｔｃを推定する。

次に、本実施形態の作用効果を説明する。

図２にガスの流れを矢印で示す。加熱ガス生成装置１０の作動時、エンジンが運転状態にあり排気通路１に排気ガスが流通されているときに、燃料供給ノズル１３から燃料Ｆが供給される。一方、前段触媒１１には排気ガスの第１の部分Ｇ１が導入され、後段触媒１２には、導入路１５に入ってきた排気ガスの第２の部分Ｇ２が導入される。低温始動時等、前段触媒１１及び後段触媒１２の活性化が不十分であるときにはヒータ１７も同時に作動させられる。

前段触媒１１内においては、排気ガスの第１の部分Ｇ１に含まれる酸素と燃料Ｆとが反応し、燃料Ｆの酸化或いは燃焼が生じる。特に、前段触媒１１には排気ガスの一部しか導入されないので、前段触媒１１内におけるガスの流速は低く、十分な反応時間が得られる。これにより排気ガスの第１の部分Ｇ１は高温の第１の加熱ガスとなり、前段触媒１１から排出される。なおヒータ１７が作動されている場合には、燃料Ｆの少なくとも一部がヒータ１７で直接酸化、燃焼可能なので、前段触媒１１内での燃料の酸化反応が促進されると共に、前段触媒１１の活性化が促進される。またヒータ未作動時よりも高温の第１の加熱ガスが生成される。

ところで、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガスは、燃料の未酸化部分、特にＨＣを含む場合がある。この第１の加熱ガスをそのまま下流側のＮＯｘ触媒３に供給してしまうと、ＮＯｘ触媒３をＨＣ被毒させるなどの不具合が生じる。このため、第１の加熱ガスを後段触媒１２に供給し、後段触媒１２内において排気ガスの第２の部分Ｇ２と反応させ、第１の加熱ガスのＨＣを再び酸化或いは燃焼させて、ＨＣを除去している。前段触媒１１と同様、後段触媒１２には排気ガスの第２の部分Ｇ２と第１の加熱ガスしか導入されないので、後段触媒１２内におけるガスの流速は低く、十分な反応時間が得られる。

こうして後段触媒１２から排出される第２の加熱ガス、即ち加熱ガス生成装置１０から排出される加熱ガスは、ＮＯｘ触媒３の触媒能に悪影響を及ぼすほどのＨＣを含まず、しかしながらＮＯｘ触媒３を加熱するのに十分な高温となる。後段触媒１２内での酸化反応によっても、第１の加熱ガスを保温し、好ましくは再加熱することができ、これにより後段触媒１２からは、主通路１４を通過してきた排気ガスの残部Ｇ３に比べて著しく高温の第２の加熱ガスが得られる。

こうして後段触媒１２から排出される第２の加熱ガスは、ＮＯｘ触媒３に供給され、ＮＯｘ触媒３を加熱する。

このように本実施形態によれば、排ガス浄化触媒であるＮＯｘ触媒３の加熱に利用可能な加熱ガスを効率的に生成することができる。そしてエンジン始動後のＮＯｘ触媒３の早期活性化、およびＮＯｘ触媒活性化後の活性状態維持を確実に達成することができる。

また、前段触媒１１及び後段触媒１２が活性不十分であるときなどには、ヒータ１７が作動させられ、排気ガスの第１の部分及び前段触媒１１が加熱される。これにより前段触媒１１及び後段触媒１２を早期に活性化させることができ、ひいてはＮＯｘ触媒３の早期活性化を図ることができる。また、前段触媒１１及び後段触媒１２が活性化後に排気温度低下等の理由で未活性となった場合でも、ヒータ１７を作動させて前段触媒１１及び後段触媒１２を再度迅速に活性化させることができる。

ところで、前述の分散部材２０を設けると次のような作用効果が得られる。即ち、仮に分散部材２０がないと仮定した場合、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガス（比較的リッチ且つ高温の状態にある）はそのまま軸方向後方に直線的に移動して後段触媒１２に流入する傾向にある。後段触媒１２が前段触媒１１より大径であるため、後段触媒１２の中心側の部分、換言すれば前段触媒１１の真後ろに位置する後段触媒１２の部分にのみ、第１の加熱ガスが流入する傾向にある。一方、導入路１５を通過してきた排気ガスの第２の部分Ｇ２（リーン且つ低温な状態にある）は、後段触媒１２の外周側の部分、換言すれば導入路１５の真後ろに位置する部分にのみ導入される傾向にある。従って、第１の加熱ガスと排気ガスの第２の部分Ｇ２とは後段触媒１２のそれぞれ異なった部位に導入され、後段触媒１２の中心側の部分では酸素不足、後段触媒１２の外周側の部分では温度及び燃料不足が生じて、効率的な加熱ガス生成を行うことが困難である。

しかしながら、本実施形態のように分散部材２０を設けると、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガスを分散部材２０により分散させ、排気ガスの第２の部分Ｇ２と混合して、後段触媒１２にまんべんなく供給することができる。詳しくは、前段触媒１１から軸方向に流出した第１の加熱ガスは、じゃま板である閉止板２２に衝突し、その流れの向きを変え（図２の符号ａ参照）、周側面部２３の複数の孔２４から各半径方向外側に流出する（図２の符号ｂ参照）。次いで第１の加熱ガスは、導入路１５を流れてきた排気ガスの第２の部分Ｇ２と混合する。これによってできた混合ガスが、閉止板２２後方の後段触媒１２との隙間にも流れて、後段触媒１２に均等に流入する。

従って、かかる分散部材２０を設けることで、前段触媒１１から排出された第１の加熱ガスと新たに導入される排気ガスの第２の部分との混合を促進することができ、後段触媒１２における部位毎の酸素濃度、燃料濃度及び温度の偏りを抑制し、効率良く加熱ガスを生成することができる。

特に、搭載性向上と熱損失減少のため前段触媒１１と後段触媒１２の距離Ｌを短くすることが考えられるが、こうすると仮に分散部材２０がない場合、前段触媒１１の真後ろに位置する後段触媒１２の部分にのみ、第１の加熱ガスが流入する傾向が強くなる。しかし、分散部材２０があると、触媒間距離Ｌが短い場合であってもそのような部分的流入を防止し、混合ガスを後段触媒１２にまんべんなく流入させることができる。

ところで、本実施形態においては、加熱ガス生成装置１０ないし後段触媒１２からＨＣが排出されるのを未然に防止するため、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方における、ＨＣ被毒及び劣化の一方を検出する診断手段を有している。以下これについて説明する。

図３に、診断実行時におけるＮＯｘ触媒３の入ガス温の推移を示す。実線は、入ガス温センサ３０により検出された実際の入ガス温Ｔ１を示し、破線は、ＥＣＵ１００により推定された入ガス温Ｔ１ｅを示す。この推定入ガス温Ｔ１ｅは、前段触媒１１及び後段触媒１２の両方がＨＣ被毒も劣化もしていない（即ち、正常である）と仮定した場合の入ガス温の推定値である。入ガス温の推定方法については後述する。図示例は、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方が劣化している場合を示す。

まず、時刻ｔ０で加熱ガス生成装置１０が作動され、燃料供給ノズル１３及びヒータ１７が同時に作動されたとする。なおヒータ１７の作動は任意である。すると、前段触媒１１及び後段触媒１２が正常であれば、これらが徐々に暖機され、加熱ガス生成装置１０から徐々に熱い加熱ガスが排出され、実際の入ガス温Ｔ１は図中の推定値Ｔ１ｅの如く上昇していく筈である。

しかし、図示例では前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方が劣化しているため、実際の入ガス温は推定入ガス温のように上昇せず、上昇度合いが少ない。

本実施形態では、時刻ｔ０から所定時間Δｔ１経過後の第１のタイミングｔ１における実際の入ガス温Ｔ１と推定入ガス温Ｔ１ｅとを取得し、これらの差Ｔ１ｅ−Ｔ１を求め、当該差が図示例の如く比較的小さな所定値αを超えている場合に、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方に、ＨＣ被毒及び劣化の何れかが発生していることを検出する。他方、図示しないが、当該差が所定値αを超えていない場合には、前段触媒１１及び後段触媒１２が正常に機能しているものと考えられるから、これら触媒１１，１２にＨＣ被毒及び劣化の何れも発生しておらず、これら触媒１１，１２を正常と判定する。

ＨＣ被毒及び劣化の何れかが発生していることを検出した場合、ＨＣ被毒状態から触媒１１，１２を回復させるための所定の被毒回復処理を実行する。一般に、ＨＣ被毒は、触媒に比較的高温な排気ガスをある程度の時間流通させれば解消する。よってここでは、燃料供給ノズル１３を停止すると共に、ヒータ１７を作動させ、ヒータ１７により第１の排気ガスＧ１を加熱して前段触媒１１ひいては後段触媒１２に供給する。

こうして被毒回復処理を所定時間Δｔ２実行した後の時刻ｔ２において、再度燃料供給ノズル１３を作動させて燃料供給を再開すると共に、ヒータ１７を作動状態とする。このとき、異常の原因がＨＣ被毒のみであるならば、先の被毒回復処理でＨＣ被毒が既に解消しているため、前段触媒１１及び後段触媒１２は正常に作動し、加熱ガス生成装置１０からは十分高温な加熱ガスが排出され、実際の入ガス温Ｔ１は図中の推定値Ｔ１ｅの如く上昇する。

しかし、図示例では前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方が劣化しているため、実際の入ガス温Ｔ１は推定入ガス温Ｔ１ｅほど上昇しない。

本実施形態では、時刻ｔ２から所定時間Δｔ１経過後の第２のタイミングｔ３における実際の入ガス温Ｔ１と推定入ガス温Ｔ１ｅとを取得し、これらの差Ｔ１ｅ−Ｔ１を求め、当該差が図示例の如く所定値αを超えている場合には、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方に、劣化が発生していることを検出する。他方、図示しないが、当該差が所定値αを超えていない場合には、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方にＨＣ被毒が発生していたが既に回復済みであり、これら触媒１１，１２をいずれも正常と判定する。

このように、触媒１１，１２のＨＣ被毒及び劣化の一方を特定して検出するので、診断精度の向上が可能である。

次に、ＥＣＵ１００による入ガス温推定方法を説明する。

ここでは、前段触媒１１及び後段触媒１２を一つの触媒とみなして符号４０で表示する。用語の定義については、加熱ガス生成装置１０の触媒４０に流入する熱量を「入熱量Ａ」、加熱ガス生成装置１０の触媒４０から流出する熱量を「出熱量Ｂ」、加熱ガス生成装置１０の触媒４０に蓄積される熱量を「畜熱量Ｃ」、加熱ガス生成装置１０の触媒４０に流入する排気ガスの流量を「入ガス流量Ｄ」、ＮＯｘ触媒３に流入する排気ガス（加熱ガスを含む）の温度上昇量を「入ガス温上昇量Ｅ」、排気通路１を流れる排気ガス全体の流量を「排ガス流量Ｇｅ」という。

触媒４０への入熱量Ａは、ヒータ１７からの熱Ｑｈと、供給燃料による酸化熱Ｑｆとの和からなる。図４に示すように、燃料供給ノズル１３とヒータ１７の両方が作動しているｔ０〜ｔ１の期間では、Ａ＝Ｑｈ＋Ｑｆの熱が加熱ガス生成装置１０の触媒４０に流入される。また、燃料供給ノズル１３のみが作動されヒータ１７が停止しているｔ１以降の期間では、Ａ＝Ｑｆの熱が加熱ガス生成装置１０の触媒４０に流入される。

他方、触媒４０からの出熱量Ｂは、触媒４０の畜熱量Ｃと、触媒４０への入ガス流量Ｄによって決定される。すなわち、畜熱量Ｃが多いほど、また入ガス流量Ｄが多いほど、出熱量Ｂは多い。本実施形態ではＢ＝Ｃ×Ｄとしている。

触媒４０での畜熱量Ｃは、入熱量Ａから出熱量Ｂを差し引いた値である。

ところで、触媒４０への入ガス流量Ｄは、排ガス流量Ｇｅが多いほど増加するが、触媒４０の温度が高いほど触媒内部のガスの粘性が高くなるため上昇率が低下する傾向にある。これを図示したのが図５である。従って、入ガス流量Ｄは、排ガス流量Ｇｅと触媒４０の温度との関数である。

以上の知見から、ＥＣＵ１００は、触媒４０における畜熱量Ｃを、次式（１）に従い、所定のサンプリング周期毎に算出ないし更新する。なおｎは今回値、ｎ−１は前回値を表す。

ここで、触媒４０への入熱量Ａは、燃料供給ノズル１３とヒータ１７の作動状態に応じた所定値が使用される。また触媒４０への入ガス流量Ｄは、排ガス流量Ｇｅと触媒４０の温度とに基づき、図５に示したようなマップ又は関数から算出される。排ガス流量Ｇｅについては、直接検出してもよいが、本実施形態では図示しないエアフローメータで検出されたエンジンの吸入空気流量Ｇａで代用される。また、触媒４０の畜熱量Ｃが、触媒４０の温度と熱容量の積の関数なので、触媒４０の温度Ｄ_ｎは、同一タイミングでの触媒４０の畜熱量Ｃ_ｎに基づき算出される。

Σは積算値であることを意味する。ＥＣＵ１００は、エンジン始動時から、サンプリング周期毎の畜熱量Ｃ_ｎを順次積算し、逐次更新して、現時点での畜熱量Ｃを求める。

こうして触媒４０の畜熱量Ｃが算出されたならば、次にＥＣＵ１００は、この蓄熱量Ｃに基づき、サンプリング周期毎に、ＮＯｘ触媒３への入ガス温上昇量Ｅを次式（２）に従い算出する。

即ち、サンプリング周期毎の入ガス温上昇量Ｅ_ｎは、出熱量Ｂ_ｎを排ガス流量Ｇｅ_ｎで除した値の関数であり、出熱量Ｂ_ｎが多いほど、また排ガス流量Ｇｅ_ｎが少ないほど、増大する。

ＥＣＵ１００は、この入ガス温上昇量Ｅ_ｎを、図３に示すように推定開始時点ｔ０，ｔ２からサンプリング周期毎に積算する。一方ＥＣＵ１００は、加熱ガス生成装置１０がないと仮定した場合の入ガス温（これを基準入ガス温という）をエンジン運転状態に基づき別途推定している。ＥＣＵ１００は、この別途推定された基準入ガス温に、入ガス温上昇量Ｅ_ｎの積算値を加算して、推定入ガス温Ｔ１ｅを求める。

次に、図６を参照しつつ、ＥＣＵ１００が実行する診断及び尿素水供給制御の手順を説明する。

ステップＳ１０１では、ＮＯｘ触媒３の推定触媒温度Ｔｃが、活性温度の下限である所定値Ｔｃｓ（例えば２００℃）未満か否かが判断される。

Ｔｃ≧Ｔｃｓの場合、ＮＯｘ触媒３が活性化しているとみなされ、ステップＳ１１１において尿素水供給ノズル４が作動させられ、尿素水供給ノズル４による尿素水供給が実行される。

他方、Ｔｃ＜Ｔｃｓの場合、ステップＳ１０２に進んで、燃料供給ノズル１３とヒータ１７とが作動させられる。これにより燃料供給ノズル１３による燃料供給とヒータ１７による加熱との両方が実行される。

次いで、ステップＳ１０３において、燃料供給ノズル１３とヒータ１７の作動開始時点から所定時間Δｔ１経過したか否かが判断される。所定時間Δｔ１が経過していない場合にはステップＳ１０２が継続され、所定時間Δｔ１が経過した場合にはステップＳ１０４に進む。このステップＳ１０４に移行した時点が前記第１のタイミングｔ１（図３）である。

ステップＳ１０４においては、推定入ガス温Ｔ１ｅと実際の入ガス温Ｔ１との値が取得されると共に、これらの差Ｔ１ｅ−Ｔ１が算出され、当該差が所定値αを超えているか否かが判断される。Ｔ１ｅ−Ｔ１＞αの場合には、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方にＨＣ被毒及び劣化の何れかが発生していると判定され、ステップＳ１０５の被毒回復処理に移行する。他方、Ｔ１ｅ−Ｔ１≦αの場合には、前段触媒１１及び後段触媒１２がいずれも正常と判定され、終了する。

ステップＳ１０５においては、燃料供給ノズル１３が停止されると共にヒータ１７が作動される。これにより燃料供給ノズル１３による燃料供給は停止され、ヒータ１７による加熱のみが実行される。

ここで、ステップＳ１０５の被毒回復処理は所定時間Δｔ２行われるが、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方がＨＣ被毒している場合、第１のタイミングｔ１における温度差Ｔ１ｅ−Ｔ１が大きいほど被毒状態が著しいと考えられる。そこで本実施形態では、ＥＣＵ１００が、当該温度差Ｔ１ｅ−Ｔ１に基づき、被毒回復処理時間Δｔ２を設定するようにしている。具体的には、図７に示すようなマップ又は関数に基づき、温度差Ｔ１ｅ−Ｔ１が大きいほど長い被毒回復処理時間Δｔ２を設定するようにしている。これにより適切な被毒回復処理を実行することが可能である。

次いで、ステップＳ１０６において、ヒータ１７の作動開始時から所定時間Δｔ２経過したか否かが判断される。所定時間Δｔ２が経過していない場合にはステップＳ１０５が継続され、所定時間Δｔ２が経過した場合にはステップＳ１０７に進む。このステップＳ１０７に移行した時点が図３に示すｔ２である。

ステップＳ１０７において、燃料供給ノズル１３とヒータ１７とが作動させられる。これにより燃料供給ノズル１３による燃料供給とヒータ１７による加熱との両方が実行される。

次いで、ステップＳ１０８において、燃料供給ノズル１３とヒータ１７の作動開始時から所定時間Δｔ１経過したか否かが判断される。所定時間Δｔ１が経過していない場合にはステップＳ１０７が継続され、所定時間Δｔ１が経過した場合にはステップＳ１０９に進む。このステップＳ１０９に移行した時点が前記第２のタイミングｔ３（図３）である。

ステップＳ１０９においては、推定入ガス温Ｔ１ｅと実際の入ガス温Ｔ１との値が取得されると共に、これらの差Ｔ１ｅ−Ｔ１が算出され、当該差が所定値αを超えているか否かが判断される。

Ｔ１ｅ−Ｔ１≦αの場合には、前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方にＨＣ被毒が発生していたが既に回復済みであると判断され、且つこれら触媒１１，１２は正常と判定され、終了する。

他方、Ｔ１ｅ−Ｔ１＞αの場合には、被毒回復処理をしたにも拘わらず正常状態に回復しない場合であるから、ステップＳ１１０に進んで前段触媒１１及び後段触媒１２の少なくとも一方が劣化と判定され、終了する。この場合、劣化の旨をユーザーに知らせるため警告装置（図示せず）が作動されるのが好ましい。また、触媒１１，１２が正常に作動せずＨＣを排出させる虞があるため、燃料供給ノズル１３の作動を禁止し、または燃料供給ノズル１３からの燃料供給量を減少するのが好ましい。

上記によれば、ＮＯｘ触媒３の活性化前に診断が実行されるので、尿素水供給開始前に触媒１１，１２のＨＣ被毒または劣化を予め検出することができ、ＨＣが排出された状態での尿素水供給を未然に防止することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は他の実施形態を採ることも可能である。例えば、本発明はディーゼルエンジン即ち圧縮着火式内燃機関以外の内燃機関にも適用可能であり、例えば火花点火式内燃機関、特に直噴リーンバーンガソリンエンジンにも適用可能である。

（１）加熱ガス生成装置の触媒は、二段に限らず三段、四段といったようにより多く設けることができる。例えば、二段の場合に、二段目（最後段）の触媒から望ましくないＨＣが出るようであれば、触媒の数を増やして例えば三段とし、三段目の触媒でＨＣ成分を除去すればよい。いずれにしても、要請に応じて、最後段の触媒からＨＣが排出されないよう、段数を定めることができる。

（２）加熱ガス生成装置の燃料供給ノズルは、最前段即ち一段目の触媒に対して必須であるが、これに加えて、中間或いは最後段の触媒に対して設けてもよい。

（３）加熱ガス生成装置１０は、次のような様々な位置に設置することが可能である。図８は、加熱ガス生成装置１０の様々な設置位置を示す。図中、４１は酸化触媒、４２はパティキュレートフィルタ、３は選択還元型ＮＯｘ触媒を示し、これらはそれぞれ排ガス浄化ユニットを形成する。図示例では、排気通路１の上流側（左側）から順に、酸化触媒４１、パティキュレートフィルタ４２および選択還元型ＮＯｘ触媒３が直列に設けられている。

なお排ガス浄化ユニットとは、排気ガスを浄化するためのあらゆるユニットをいう。排ガス浄化ユニットは、酸化触媒、ＮＯｘ触媒および三元触媒等の排ガス浄化触媒、ならびに排気ガス中のパティキュレートを捕捉するパティキュレートフィルタを含む。パティキュレートフィルタは、触媒が担持された自己再生式であってもよいし、外部ヒータ等の熱により再生されるものであってもよい。以下、パティキュレートフィルタを単に「フィルタ」と称する。ＮＯｘ触媒は選択還元式のほか、吸蔵還元式も含む。

加熱ガス生成装置１０は、図示するような第１〜第４の位置Ｐ１〜Ｐ４に設置可能である。第１の位置Ｐ１に設置した場合、排気通路１の排ガス流れ方向（矢示するような左側から右側に向かう方向）において、加熱ガス生成装置１０の次に酸化触媒４１が設けられる。同様に、第２の位置Ｐ２に設置した場合、加熱ガス生成装置１０の次にフィルタ４２が設けられる。第３または第４の位置Ｐ３またはＰ４に設置した場合、加熱ガス生成装置１０の次に選択還元型ＮＯｘ触媒３が設けられる。

特に、第３の位置Ｐ３に設置した場合、加熱ガス生成装置１０は尿素水供給ノズル４の上流側に位置し、第４の位置Ｐ４に設置した場合、加熱ガス生成装置１０は尿素水供給ノズル４の下流側に位置される。第３の位置Ｐ３が、上述した基本実施形態における設置位置に相当する。

なお、加熱ガス生成装置１０は簡略化されて示されているが、上述した燃料供給ノズル１３とヒータ１７を含むものである。また入ガス温センサ３０も図示省略されているが、前記同様、加熱ガス生成装置１０の直後の排ガス浄化ユニットの入ガス温を検出すべく設けられている。

いずれの位置に設置した場合でも、加熱ガス生成装置１０の本来の効果、すなわち、生成された加熱ガスで下流側の排ガス浄化ユニットを加熱するという効果が得られる。第１の位置Ｐ１に設置した場合、直後の酸化触媒４１の活性向上、ひいてはその次のフィルタ４２の再生能力向上に有利である。なおフィルタ４２の再生は、フィルタ４２に堆積したパティキュレートを酸化、燃焼する処理であり、高温の排気ガスを要求することから、加熱ガス生成装置１０からの加熱ガスを供給することは有利である。

第２の位置Ｐ２に設置した場合、特に、フィルタ４２の再生能力向上、さらには酸化触媒４１の熱劣化抑制に有利である。酸化触媒４１は通常、別途の燃料添加を受けて６００〜７００℃程度の高温にまで達し、その下流側の排ガス浄化ユニットに高温ガスを供給する。しかし、第２の位置Ｐ２に加熱ガス生成装置１０があると、これも同様に加熱ガスを生成するので、酸化触媒４１の負担を減らし、酸化触媒４１の昇温量を減らすことができる。つまり加熱ガスの生成を酸化触媒４１と加熱ガス生成装置１０とで分担することができる。よって酸化触媒４１の熱劣化抑制に有利である。

第３の位置Ｐ３に設置した場合は既に述べたとおりである。第４の位置Ｐ４に設置した場合でも、ＮＯｘ触媒３の活性化促進に有利である。なお、第３または第４の位置に設置した場合、尿素水供給ノズル４から供給された尿素水の加水分解促進および分散性向上に有利であり、ひいてはＮＯｘ触媒３の性能向上に有利である。

ところで、本発明の如き、加熱ガス生成装置１０の触媒１１，１２のＨＣ被毒及び劣化の一方を検出する診断手段があると、加熱ガス生成装置１０からのＨＣ排出が防止される。よっていずれの位置に設置した場合でも次の点で有利である。

第３の位置Ｐ３に設置した場合は既に述べたとおりである。第４の位置Ｐ４に設置した場合、加熱ガス生成装置１０から排出されたＨＣによってＮＯｘ触媒３がＨＣ被毒することを防止できる。

第１の位置Ｐ１に設置した場合、加熱ガス生成装置１０からＨＣが排出されても、それが微量であれば直後の酸化触媒４１によって排出ＨＣを浄化できる可能性がある。しかし、酸化触媒４１には基本的にそれを所望の高温とするような十分な量の燃料が添加されている。よって加熱ガス生成装置１０からさらに予定外のＨＣが排出されると、排出ＨＣを酸化触媒４１で浄化しきれなくなり、酸化触媒４１からＨＣが排出され、より下流側のＮＯｘ触媒３におけるアンモニアとＮＯｘの反応を阻害したり、ＮＯｘ触媒３をＨＣ被毒させたりする虞がある。さらに酸化触媒４１を過昇温させ、熱劣化を促進する虞もある。なお加熱ガス生成装置１０と酸化触媒４１の組み合わせのみが排気通路１にあると仮定すると、酸化触媒４１から排出されたＨＣが大気に放出される虞がある。

しかし、本発明の如き診断手段があると、これらの問題を解消することができる。

次に、第２の位置Ｐ２に設置した場合、加熱ガス生成装置１０から排出されたＨＣはフィルタ４２を単に通過してその下流側に至る可能性が高い。フィルタ４２が触媒付きである場合は排出ＨＣの浄化が可能であるが、その効果は小さく、それ程期待できない。従って、フィルタ４２から排出されたＨＣが、下流側のＮＯｘ触媒３におけるアンモニアとＮＯｘの反応を阻害したり、ＮＯｘ触媒３をＨＣ被毒させたりする虞がある。なお加熱ガス生成装置１０とフィルタ４２の組み合わせのみが排気通路１にあると仮定すると、フィルタ４２から排出されたＨＣが大気に放出される虞がある。

しかし、本発明の如き診断手段があると、これらの問題を解消することができる。

なお、第１の位置Ｐ１または第２の位置Ｐ２に設置した場合、加熱ガス生成装置１０の下流側には複数の排ガス浄化ユニットが設けられることになるが、このような場合も本発明の範囲内である。また、第１〜第４の位置Ｐ１〜Ｐ４の二箇所以上にそれぞれ加熱ガス生成装置１０を設けることもでき、このような場合も本発明の範囲内である。 本発明の実施形態は前述の実施形態のみに限らず、特許請求の範囲によって規定される本発明の思想に包含されるあらゆる変形例や応用例、均等物が本発明に含まれる。従って本発明は、限定的に解釈されるべきではなく、本発明の思想の範囲内に帰属する他の任意の技術にも適用することが可能である。

Claims (7)

1. 内燃機関の排気通路内を流れる排気ガスの一部を利用して加熱ガスを生成する加熱ガス生成装置であって、酸化機能を有する触媒と、該触媒に燃料を供給する燃料供給ノズルと、ヒータとを有する加熱ガス生成装置と、
   前記加熱ガスによって加熱されるべく、前記加熱ガス生成装置の下流側に設けられた排ガス浄化ユニットと、
   前記排ガス浄化ユニットの入ガス温を検出する入ガス温センサと、
   前記排ガス浄化ユニットの入ガス温を推定する入ガス温推定手段と、
   前記加熱ガス生成装置の少なくとも前記燃料供給ノズルの作動時に、前記入ガス温センサにより検出された実際の入ガス温と前記入ガス温推定手段により推定された推定入ガス温とを取得し、これら取得した値の比較結果に基づいて、前記加熱ガス生成装置の前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の一方を検出する診断手段と
   を備えたことを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記排ガス浄化ユニットが、選択還元型ＮＯｘ触媒からなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. 前記排ガス浄化ユニットが、酸化触媒またはパティキュレートフィルタからなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. 前記診断手段は、先ず前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の何れかが発生していることを検出し、次いで所定の被毒回復処理を実行した後、前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の一方を特定して検出する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記診断手段は、前記加熱ガス生成装置の少なくとも前記燃料供給ノズルの作動時、第１のタイミングにて取得した前記実際の入ガス温と前記推定入ガス温との差が所定値を超えているときに前記触媒のＨＣ被毒及び劣化の何れかが発生していることを検出し、次いで前記燃料供給ノズルを停止し且つ前記ヒータを作動させて被毒回復処理を実行した後、再度少なくとも前記燃料供給ノズルを作動させ、当該作動時における第２のタイミングにて取得した前記実際の入ガス温と前記推定入ガス温との差が所定値を超えているときに前記触媒の劣化を検出する
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。
6. 前記診断手段は、前記第１のタイミングにて取得した前記実際の入ガス温と前記推定入ガス温との差に基づいて前記被毒回復処理の時間を設定する
   ことを特徴とする請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
7. 前記入ガス温推定手段が、前記触媒に対する入熱量と出熱量との差の積算値に基づいて前記触媒の蓄熱量を算出すると共に、前記触媒の蓄熱量と、前記触媒に対する入ガス流量と、排ガス流量とに基づいて前記入ガス温を推定する
   ことを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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