JP2019152167A

JP2019152167A - 内燃機関の排気浄化装置

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Publication number: JP2019152167A
Application number: JP2018038633A
Authority: JP
Inventors: 真一中越; Shinichi Nakagoshi; 橋本　浩成; Hiroshige Hashimoto; 浩成橋本
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2018-03-05
Filing date: 2018-03-05
Publication date: 2019-09-12
Also published as: US11008918B2; DE102019105447A1; US20190271249A1; CN110230531A

Abstract

【課題】フィルタに担持された触媒の酸素吸蔵能力を精度よく推定する。【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能力を有する触媒を担持したフィルタと、フィルタよりも下流の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、フィルタに流入する排気の空燃比を変化させる空燃比制御手段と、フィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質（ＰＭ）の量が所定量以下であるか否か判定する堆積判定手段と、フィルタの隔壁内に堆積しているＰＭの量が所定量以下である場合に、排気の空燃比を変化させたときの空燃比検出手段により得られる排気の空燃比の変化から、触媒の最大酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、を備える。【選択図】図８

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排気通路に酸素吸蔵能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタ（以下、単に「フィルタ」という。）を備えることが知られている。この触媒が劣化すると、触媒に最大限吸蔵可能な酸素の量（以下、最大酸素吸蔵量ともいう。）が減少するため、最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化判定を行うことができる。ここで、フィルタに堆積している粒子状物質（以下、ＰＭともいう。）の量とフィルタの温度とに基づいて最大酸素吸蔵量を補正し、補正後の最大酸素吸蔵量に基づいて劣化判定を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

触媒の劣化判定時には、触媒に流入する排気の空燃比を理論空燃比を挟んでリッチ側からリーン側、または、リーン側からリッチ側に変化させる制御が行われる。例えば、触媒に流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも大きな空燃比から理論空燃比よりも小さな空燃比に変化すると、触媒に吸蔵されていた酸素が放出される。そして、この酸素の放出が行われている間は、触媒よりも下流で検出される排気の空燃比が理論空燃比近傍で一定となる。この理論空燃比近傍となっている期間は触媒の最大酸素吸蔵量に関連しているため、この期間に基づいて、最大酸素吸蔵量を求めることができる。しかし、触媒から放出された酸素がフィルタに堆積しているＰＭと反応することにより酸素が消費されると、触媒よりも下流で検出される排気の空燃比が理論空燃比近傍で一定となる期間が短くなる。そうすると、酸素吸蔵能力が低下していると誤判定される虞があるため、特許文献１では、ＰＭによって消費される分の酸素吸蔵量を最大酸素吸蔵量に加算する補正を行っている。

特開２００５−２６４８０８号公報

特許文献１には、ＰＭによって最大酸素吸蔵量が実際よりも少なく算出される課題が記載されているが、ＰＭの堆積箇所によって最大酸素吸蔵量が変化することが見出された。したがって、従来のように最大酸素吸蔵量を補正すると、触媒の劣化判定において誤判定が生じる虞がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、フィルタに担持された触媒の酸素吸蔵能力を精度よく推定することにある。

上記課題を解決するための本発明の態様の一つは、内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、前記パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比を変化させる空燃比制御手段と、前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量が所定量以下であるか否か判定する堆積判定手段と、前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量が所定量以下である場合に、前記空燃比制御手段により排気の空燃比を変化させたときの前記空燃比検出手段により得られる排気の空燃比の変化から、前記触媒の最大酸素吸蔵量を推定
する吸蔵量推定手段と、を備える内燃機関の排気浄化装置である。

触媒に流入する排気の空燃比を変化させたときの触媒よりも下流の排気の空燃比の変化に基づいて、触媒の最大酸素吸蔵量を求めることができる。しかし、最大酸素吸蔵量は、ＰＭが堆積している箇所によって影響を受けることが見出された。すなわち、触媒を担持したフィルタにおいては、最大酸素吸蔵量が、フィルタの隔壁内（すなわち、隔壁に形成された細孔の内部）のＰＭ堆積量に応じて変化するが、フィルタの隔壁の表面（すなわち、隔壁に形成された細孔の外部）のＰＭ堆積量に応じては変化しないことが判明した。したがって、触媒の劣化の度合いが例え同じであったとしても、ＰＭが堆積している箇所によって最大酸素吸蔵量が変化し得る。このため、例えば最大酸素吸蔵量に基づいて触媒の劣化判定を実施すると誤判定が生じる虞がある。そこで、吸蔵量推定手段は、フィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量が所定量以下である場合に触媒の最大酸素吸蔵量を推定する。この所定量は、最大酸素吸蔵量の算出値に影響を与えない隔壁内のＰＭ堆積量であり、十分に少ない隔壁内のＰＭ堆積量である。所定量は、例えば０としてもよい。なお、隔壁内のＰＭ堆積量は、フィルタの再生が実施されることにより０になり得る。フィルタの隔壁内のＰＭ堆積量が十分に少なければ、ＰＭの影響を受けていない最大酸素吸蔵量を推定することができるため、例えば最大酸素吸蔵量と閾値とを比較して触媒の劣化判定を行う際の酸素吸蔵能力を精度よく推定することができる。

前記パティキュレートフィルタに堆積している粒子状物質が酸化されたか否かを判定する再生判定手段を更に備え、前記堆積判定手段は、前記再生判定手段により粒子状物質が酸化されたと判定された後に、前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量が所定量以下であるか否か判定することができる。

フィルタに堆積しているＰＭは、フィルタの温度が十分に高く且つ酸素が存在する場合に酸化されてフィルタから除去される。これをフィルタの再生という。ＰＭが酸化される温度を以下では「ＰＭ酸化温度」ともいう。フィルタの温度を上げる処理及び排気の酸素濃度を増加させる処理を行うことにより、フィルタの再生を積極的に実施することもできるし、フィルタの温度がＰＭ酸化温度まで上昇したときに例えばフューエルカットが行われた場合等には、フィルタの再生が成り行きで実施されることもある。また、フィルタの再生が実施された場合に、フィルタの隔壁内からＰＭが全て除去されることもあれば、フィルタの再生が実施された時間が十分でない場合には、フィルタの隔壁内にＰＭが残留することもある。したがって、フィルタの再生が実施された後に、フィルタの隔壁内に堆積しているＰＭの量が所定量以下であるか否か判定し、フィルタの隔壁内に堆積しているＰＭの量が所定量以下であると判定された場合に最大酸素吸蔵量を求めることにより、触媒の酸素吸蔵能力を精度よく推定することができる。

また、前記パティキュレートフィルタよりも上流側と下流側との排気の圧力差を検出する圧力差検出手段を更に備え、前記堆積判定手段は、前記圧力差検出手段により検出される圧力差に基づいて、前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量を算出することができる。

フィルタにＰＭが堆積するときは、まず主に隔壁内に堆積し、その後に、隔壁の表面に堆積する。このように、フィルタにＰＭが堆積する過程においてパティキュレートフィルタよりも上流側と下流側との排気の圧力差が徐々に増加する。つまり、フィルタの隔壁内のＰＭ堆積量と上記圧力差とには相関関係があるため、上記圧力差に基づいてフィルタの隔壁内に堆積しているＰＭの量を算出することができる。

本発明によれば、フィルタに担持された触媒の酸素吸蔵能力を精度よく推定することが
できる。

実施形態に係る内燃機関の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。目標空燃比（実線）と、三元触媒よりも下流の空燃比（一点鎖線）との推移を示した図である。フィルタにＰＭが堆積していない場合にフィルタを通過する排気の流れを示している。フィルタの隔壁内にＰＭが堆積している途中の排気の流れを示している。フィルタの隔壁内へのＰＭの堆積が終了して、フィルタの隔壁の表面にＰＭが堆積している途中の排気の流れを示している。フィルタにおけるＰＭ堆積量と、Ｃｍａｘ法によって求められる最大酸素吸蔵量との関係を示した図である。フィルタのＰＭ堆積量と差圧センサにより検出される圧力差との関係を示した図である。最大酸素吸蔵量を算出するフローを示したフローチャートである。三元触媒の劣化判定のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施形態に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施形態）
図１は、本実施形態に係る内燃機関１の吸気系及び排気系の概略構成を示す図である。内燃機関１は車両駆動用のガソリン機関である。ただし、内燃機関１はディーゼル機関であってもよい。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、三元触媒３１を担持したパティキュレートフィルタ３（以下、フィルタ３という。）が設けられている。フィルタ３は、排気中のＰＭを捕集するウォールフロー型のフィルタであり、フィルタ３の隔壁に形成された細孔を排気が通過するときに排気中のＰＭが捕集される。

三元触媒３１は、酸素吸蔵能力を有し、触媒雰囲気が理論空燃比のときにＮＯｘ，ＨＣおよびＣＯを浄化する。三元触媒３１は、流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも大きな空燃比であるリーン空燃比のときに酸素を吸蔵し、流入する排気の空燃比が理論空燃比よりも小さな空燃比であるリッチ空燃比のときに酸素を放出することにより、触媒雰囲気を略理論空燃比に維持することができる。このような酸素吸蔵能力の作用により、三元触媒３１へ流入する排気の空燃比が理論空燃比以外であっても、触媒雰囲気が理論空燃比になるため、三元触媒３１はＨＣ，ＣＯおよびＮＯｘを浄化することができる。なお、本実施形態においては三元触媒３１が、本発明における触媒に相当する。本発明における触媒は、酸素吸蔵能力を有していればよいため、三元触媒３１以外の酸素吸蔵能力を有する触媒を採用することもできる。

三元触媒３１よりも上流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第一空燃比センサ１１が設けられている。また、三元触媒３１よりも下流の排気通路２には、排気の空燃比を検出する第二空燃比センサ１２及び排気の温度を検出する温度センサ１３が設けられている。なお、第一空燃比センサ１１及び第二空燃比センサ１２は、例えば限界電流式の酸素濃度センサであってもよく、例えば起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）であってもよい。限界電流式の酸素濃度センサは、広い空燃比領域に亘って空燃比に対応した電圧を出力する。一方、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサは、理論空
燃比において急変する電圧を出力する。なお、本実施形態においては第二空燃比センサ１２が、本発明における空燃比検出手段に相当する。また、排気通路２には、フィルタ３よりも上流側の排気の圧力とフィルタ３よりも下流側の排気の圧力との差を検出する差圧センサ１４が設けられている。なお、本実施形態においては差圧センサ１４が、本発明における圧力差検出手段に相当する。

また、内燃機関１には、気筒内に燃料を噴射する噴射弁４が気筒毎に設けられている。さらに、内燃機関１には、吸気通路５が接続されている。吸気通路５には、吸気の流量を検出するエアフローメータ１５が設けられている。

そして、内燃機関１には電子制御ユニット（ＥＣＵ）１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御する。ＥＣＵ１０には、上述した第一空燃比センサ１１、第二空燃比センサ１２、差圧センサ１４、エアフローメータ１５の他、クランクポジションセンサ１６及びアクセル開度センサ１７が電気的に接続され、各センサの検出値がＥＣＵ１０に渡される。

ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１６の検出に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ１７の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。なお、本実施形態では、三元触媒３１に流れ込む排気の空燃比は第一空燃比センサ１１によって検出可能であるが、排気の空燃比をエアフローメータ１５により検出される吸入空気量及び噴射弁４からの燃料噴射量に基づいて推定することも可能である。また、ＥＣＵ１０は、温度センサ１３によって検出される排気の温度に基づいて、フィルタ３及び三元触媒３１の温度を検出することが可能である。なお、フィルタ３と三元触媒３１とは一体であるため、フィルタ３の温度と三元触媒３１の温度は等しい。また、温度センサ１３により検出される温度が、フィルタ３及び三元触媒３１の温度としてもよい。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態に基づいて、フィルタ３及び三元触媒３１の温度を推定することも可能である。また、差圧センサ１４の検出値とフィルタ３のＰＭ堆積量とには関連性があるため、ＥＣＵ１０は、差圧センサ１４の検出値に基づいて、フィルタ３のＰＭ堆積量を検出することができる。差圧センサ１４の検出値と、フィルタ３のＰＭ堆積量との関係は、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。また、フィルタ３のＰＭ堆積量は以下のようにしてＥＣＵ１０が推定することもできる。フィルタ３に単位時間当たりに捕集されるＰＭの量、及び、フィルタ３で単位時間当たりに酸化されるＰＭの量は、フィルタ３の温度や内燃機関１の運転状態等と関連性を有することから、フィルタ３の温度や内燃機関１の運転状態等から、フィルタ３に単位時間当たりに捕集されるＰＭの量、及び、フィルタ３で単位時間当たりに酸化されるＰＭの量を推定することができる。そして、フィルタ３に単位時間当たりに捕集されるＰＭの量から、フィルタ３で単位時間当たりに酸化されるＰＭの量を減算した値を積算することにより、現時点でのフィルタ３のＰＭ堆積量を推定することができる。

また、ＥＣＵ１０は、三元触媒３１の劣化判定を実施する。ＥＣＵ１０は、三元触媒３１の最大酸素吸蔵量が下限値よりも少なくなった場合に、該三元触媒３１が劣化したと判定する。ここでいう劣化とは、回復することができない熱劣化等である。本実施形態では、Ｃｍａｘ法を用いて三元触媒３１の最大酸素吸蔵量を求め、この最大酸素吸蔵量と下限値とを比較することにより三元触媒３１の劣化判定を実施する。ここで、三元触媒３１の最大酸素吸蔵量は、三元触媒３１に流入する排気の空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比に変化してから、三元触媒３１より流出する排気の空燃比がリーン空燃比へ変化するまでの時間及び空燃比と関連している。同様に、三元触媒３１の最大酸素吸蔵量は、三元触媒３１に流入する排気の空燃比がリーン空燃比からリッチ空燃比に変化してから、三元触媒３１より流出する排気の空燃比がリッチ空燃比へ変化するまでの時間及び空燃比と関連している。したがって、これらの時間及び空燃比に基づいて、三元触媒３１の最大酸素吸
蔵量を算出することができる。

例えば、図２に示したようにＣｍａｘ法により最大酸素吸蔵量を算出することができる。図２は、目標空燃比（実線）と、三元触媒３１よりも下流の排気の空燃比（一点鎖線）との推移を示した図である。目標空燃比は、内燃機関１の気筒内における目標空燃比である。なお、目標空燃比に代えて、三元触媒３１よりも上流の空燃比としてもよい。Ｃｍａｘ法により最大酸素吸蔵量を算出するときには、目標空燃比を理論空燃比を挟んで変動させる制御であるアクティブ制御が実施される。なお、本実施形態ではＥＣＵ１０がアクティブ制御を実施することにより、本発明における空燃比制御手段として機能する。アクティブ制御では、三元触媒３１よりも下流の排気の空燃比、すなわち、第二空燃比センサ１２により検出される空燃比が、リッチ空燃比からリーン空燃比へ変化したときに、目標空燃比をリッチ空燃比へ切り換え、第二空燃比センサ１２により検出される空燃比が、リーン空燃比からリッチ空燃比へ変化したときに、目標空燃比をリーン空燃比へ切り換える。ＥＣＵ１０は、実際の空燃比が目標空燃比に近付くように、噴射弁４からの燃料噴射量等を調整する。なお、第二空燃比センサ１２が、起電力式（濃淡電池式）の酸素濃度センサ（Ｏ_２センサ）であれば、検出される空燃比がリッチ空燃比からリーン空燃比へ変化した直後に、目標空燃比をリーン空燃比からリッチ空燃比に切り換える。一方、第二空燃比センサ１２が、限界電流式の酸素濃度センサの場合には、所定のリーン空燃比となったときに目標空燃比を切り換えてもよい。すなわち、検出される空燃比がリーン空燃比となっても目標空燃比をすぐにリッチ空燃比へ切り換えるのではなく、検出される空燃比がリーン空燃比の状態が維持された後に目標空燃比を切り換えてもよい。これは、三元触媒３１から酸素が放出されている場合であっても、三元触媒３１から流出する排気の空燃比は厳密には理論空燃比からずれている場合もあるため、このような場合には空燃比を切り換えないようにするためである。

図２において、目標空燃比を示す線と、三元触媒３１よりも下流の空燃比を示す線とで囲まれる範囲（ハッチングを施した範囲）の面積が、三元触媒３１の最大酸素吸蔵量に比例する。したがって、この面積と最大酸素吸蔵量との関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、この面積に基づいて最大酸素吸蔵量を求めることができる。目標空燃比がリーン空燃比のときの面積Ａに基づいて最大酸素吸蔵量を求めてもよいし、目標空燃比がリッチ空燃比のときの面積Ｂに基づいて最大酸素吸蔵量を求めてもよいし、目標空燃比がリーン空燃比のときの面積Ａと目標空燃比がリッチ空燃比のときの面積Ｂとの平均値に基づいて最大酸素吸蔵量を求めてもよい。なお、本実施形態ではＣｍａｘ法を用いて最大酸素吸蔵量を求めているが、これに代えて三元触媒３１に流入する排気の空燃比を変化させたときの三元触媒３１よりも下流の空燃比の変化に基づいた周知の技術を採用して最大酸素吸蔵量を求めてもよい。

上記のようにして求まる最大酸素吸蔵量は、ＰＭがどのようにフィルタ３に堆積しているのかによって影響を受ける。図３は、フィルタ３にＰＭが堆積していない場合にフィルタ３を通過する排気の流れを示している。図４は、フィルタ３の隔壁内３ＢにＰＭが堆積している途中の排気の流れを示している。図５は、フィルタ３の隔壁内３ＢへのＰＭの堆積が終了して、フィルタ３の隔壁の表面３ＡにＰＭが堆積している途中の排気の流れを示している。図３、図４、図５において、排気の流れを矢印で示しており、排気の流量を矢印の太さで表している。図３に示すように、フィルタ３にＰＭが堆積していない状態では、細孔径が大きな箇所に排気が通り易い。この場合、排気に含まれるＰＭも細孔径が比較的大きな箇所を流通するため、この細孔径が比較的大きな箇所においてＰＭが捕集され易い。このときには、細孔径が比較的大きな箇所において酸素が吸蔵される。

そして、細孔径が比較的大きな箇所にＰＭが捕集され堆積すると、図４に示すように、細孔径が比較的大きな箇所を排気が通り難くなり、細孔径が比較的小さな箇所に排気がよ
り多く流通するようになる。そのため、細孔径が比較的小さな箇所にもＰＭが捕集され堆積するようになる。このときには、細孔径が比較的小さな箇所において酸素が吸蔵される。なお、フィルタ３にＰＭが堆積する場合には、図４に示したように、まずは主に隔壁内３ＢにＰＭが堆積し、その後、図５に示したように主に隔壁の表面３ＡにＰＭが堆積することが判明している。図５に示したようにフィルタ３の隔壁の表面３ＡにＰＭが堆積しても、隔壁内３Ｂの排気の流れはほとんど変化しない。したがって、このときには、細孔径が比較的小さな箇所において酸素が吸蔵される。

フィルタ３の隔壁の表面３Ａ及び隔壁内３Ｂに堆積したＰＭは、高温状態（例えば５００℃以上）で且つ排気中に酸素が存在している状態のときに酸化され除去される。例えば、内燃機関１の高負荷運転時にフィルタ３が高温状態となる。そして、その後に、例えばフューエルカットが行われたり、または、内燃機関１がリーン空燃比で運転されたりすると、高温状態で且つ排気中に酸素が存在している状態となり、フィルタ３に堆積しているＰＭが酸化される。フィルタ３に堆積しているＰＭが酸化されるときには、まずは主に隔壁内３Ｂに堆積しているＰＭから酸化が始まり、隔壁内３Ｂに堆積していたＰＭが除去された後、主に隔壁の表面３Ａに堆積しているＰＭが酸化されることが判明している。

三元触媒３１への酸素の吸蔵は、酸素が三元触媒３１の吸蔵サイトに接触することにより行われる。このため、より多くの吸蔵サイトに酸素が接触するような状態になると、最大酸素吸蔵量がより多くなる。ここで、フィルタ３の隔壁内３ＢにＰＭが堆積して隔壁内３Ｂの排気の流れが細孔径のより小さい箇所を通過するように変化すると、隔壁内３Ｂのより広い範囲に排気が流通するようになるため、酸素と接触する吸蔵サイトがより多くなる。したがって、フィルタ３の隔壁内３ＢにＰＭが堆積するにしたがって、最大酸素吸蔵量が多くなる。その後、フィルタ３の隔壁内３Ｂにある程度のＰＭが堆積して、隔壁内３ＢでＰＭを捕集できなくなると、フィルタ３の隔壁の表面３ＡにＰＭが堆積するようになる。フィルタ３の隔壁の表面３ＡにＰＭが堆積しても、フィルタ３の隔壁内３Ｂの排気の流れはほとんど変化しないため、酸素と接触する吸蔵サイトの数もほとんど変化しない。したがって、フィルタ３の隔壁の表面３ＡにおいてＰＭ堆積量が増加しても、最大酸素吸蔵量はほとんど変化しない。

また、フィルタ３に堆積しているＰＭが酸化される場合には、まずは主にフィルタ３の隔壁内３Ｂに堆積しているＰＭから酸化されることが判明している。隔壁内３ＢからＰＭが除去されるにしたがって、細孔径のより大きな箇所を排気が流れるようになるため、酸素が吸蔵サイトに接触する機会が減少する。そのため、ＰＭ堆積量の減少にしたがって、最大酸素吸蔵量が少なくなる。また、フィルタ３の隔壁内３Ｂに堆積していたＰＭが除去された後に、フィルタ３の隔壁の表面３Ａに堆積しているＰＭが酸化される。フィルタ３の隔壁の表面３Ａに堆積しているＰＭが減少しても、フィルタ３の隔壁内３Ｂの排気の流れはほとんど変化しないため、最大酸素吸蔵量はほとんど変化しない。

このようにフィルタ３にＰＭが堆積している箇所によって、最大酸素吸蔵量が変化し得る。図６は、フィルタ３におけるＰＭ堆積量と、Ｃｍａｘ法によって求められる最大酸素吸蔵量との関係を示した図である。図６の「第一状態」は、主にフィルタ３の隔壁内３ＢでＰＭが捕集されている途中の状態であって、フィルタ３の隔壁内３ＢのＰＭ堆積量が増加している途中の状態のときのＰＭ堆積量と最大酸素吸蔵量との関係を示している。図６の「第二状態」は、主にフィルタ３の隔壁の表面３ＡでＰＭが捕集されている途中の状態であって、フィルタ３の隔壁の表面３ＡのＰＭ堆積量が増加している途中の状態のときのＰＭ堆積量と最大酸素吸蔵量との関係を示している。図６の「第三状態」は、主にフィルタ３の隔壁内３ＢからＰＭが除去されている途中の状態であって、フィルタ３の隔壁内３ＢのＰＭ堆積量が減少している途中の状態のときのＰＭ堆積量と最大酸素吸蔵量との関係を示している。図６の「第四状態」は、主にフィルタ３の隔壁の表面３ＡからＰＭが除去
されている途中の状態であって、フィルタ３の隔壁の表面３ＡのＰＭ堆積量が減少している途中の状態のときのＰＭ堆積量と最大酸素吸蔵量との関係を示している。上記のように、第一状態では、ＰＭ堆積量の増加にしたがって最大酸素吸蔵量が増加し、第二状態では、ＰＭ堆積量が増加しても最大酸素吸蔵量はほとんど変化しない。また、第三状態では、ＰＭ堆積量の減少にしたがって最大酸素吸蔵量が減少し、第四状態では、ＰＭ堆積量が減少しても最大酸素吸蔵量はほとんど変化しない。

このように、Ｃｍａｘ法によって求められる最大酸素吸蔵量が、ＰＭの堆積箇所によって変化するため、最大酸素吸蔵量と下限値との比較に基づいて三元触媒３１の劣化を判定する場合に、誤判定が生じる虞がある。そこで、ＥＣＵ１０は、フィルタ３の隔壁内３Ｂに堆積しているＰＭが十分に少ないときにＣｍａｘ法によって最大酸素吸蔵量を求める。このようにして、ＰＭの堆積による影響を受けずに最大酸素吸蔵量を算出することができる。そして、この最大酸素吸蔵量と下限値とを比較して三元触媒３１の劣化判定を実施することにより、ＰＭが堆積している箇所の影響を排除しつつ三元触媒３１の劣化判定を実施することができる。そのため、劣化判定の精度を向上させることができる。

図７は、フィルタ３のＰＭ堆積量と差圧センサ１４により検出される圧力差との関係を示した図である。図７は、フィルタ３のＰＭ堆積量が０から徐々に増加した場合に差圧センサ１４により検出される圧力差を示している。図７において、「隔壁内」で示される範囲では、主にフィルタ３の隔壁内３ＢでＰＭが捕集され、「表面」で示される範囲では、主にフィルタ３の隔壁の表面３ＡでＰＭが捕集されている。図７に示されるように、ＰＭ堆積量が増加するほど、圧力差が大きくなるという関係があるため、図７に示した関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、検出される圧力差に基づいてＰＭ堆積量を求めることができる。なお、ガソリン機関では内燃機関１から排出されるＰＭ量が比較的少ない。また、ガソリン機関では排気の温度が高いためにＰＭが酸化され易い。そのため、主に図７に示した「隔壁内」の範囲でＰＭ堆積量が推移する。

図８は、最大酸素吸蔵量を算出するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０によって所定の周期で実行される。ステップＳ１０１では、フィルタ３の再生が実施されたか否か判定される。フィルタ３の再生は、フィルタ３の温度がＰＭ酸化温度（例えば５００℃）以上、且つ、排気の空燃比がリーン空燃比時若しくは内燃機関１のフューエルカット時に実施される。したがって、このような状態があったか否かを判定することにより、フィルタ３の再生が実施されてか否か判定することができる。なお、フィルタ３の再生は、ＥＣＵ１０により積極的に実施された場合に限らず、成り行きで実施された場合も含む。フィルタの再生が実施されていなければ、フィルタ３の隔壁内にＰＭが堆積している可能性が高いため、最大酸素吸蔵量の算出は実施していない。また、フィルタ３の再生が実施されてからある程度の時間が経過すると、フィルタ３にＰＭが再度堆積する虞があるため、本ステップＳ１０１では、フィルタ３の再生が実施されてから、所定の期間以内であるか否か判定してもよい。所定の期間は、フィルタ３にＰＭが堆積したとしても最大酸素吸蔵量に影響のない量しか堆積しない期間として予め設定しておく。ステップＳ１０１で肯定判定された場合にはステップＳ１０２へ進み、否定判定された場合には本フローチャートを終了させる。なお、本実施形態ではステップＳ１０１を処理するＥＣＵ１０が、本発明における再生判定手段として機能する。

ステップＳ１０２では、差圧センサ１４によって圧力差が検出される。なお、圧力差は排気の流量の影響を受けるため、圧力差を排気の流量と関連付けて検出してもよい。また、排気の流量は、吸入空気量と相関関係にあるため、圧力差を吸入空気量と関連付けて検出してもよい。また、所定の排気の流量または所定の吸入空気量のときに圧力差を検出することにより、排気の流量の影響を排除するようにしてもよい。次いで、ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２で検出された圧力差に基づいてフィルタ３の隔壁内３ＢのＰＭ
堆積量（以下、隔壁内堆積量ともいう。）が算出される。ＥＣＵ１０には、図７に示した関係を予め実験またはシミュレーション等により求めて記憶させておく。この図７に示した関係は、排気の流量毎または吸入空気量毎に求めて記憶させておいてもよい。そして、ＥＣＵ１０は、図７に示した関係と、ステップＳ１０２で検出された圧力差とから隔壁内堆積量を算出する。

ステップＳ１０４では、隔壁内堆積量が所定量以下であるか否か判定される。所定量は、最大酸素吸蔵量の算出値に影響を与えないＰＭ堆積量であり、例えば０としてもよい。ステップＳ１０４で肯定判定された場合にはステップＳ１０５へ進み、否定判定された場合には本フローチャートを終了させる。ステップＳ１０５では、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを算出する条件が成立しているか否か判定される。例えば、内燃機関１の運転状態がアクティブ制御を実行可能な状態であれば、条件が成立していると判定される。ステップＳ１０５で肯定判定された場合にはステップＳ１０６へ進み、否定判定された場合には本フローチャートを終了させる。ステップＳ１０６では、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが算出される。ＥＣＵ１０は、アクティブ制御を実行してＣｍａｘ法により最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘを算出する。なお、本実施形態においてＥＣＵ１０がステップＳ１０４を処理することにより、本発明における堆積判定手段として機能する。また、本実施形態においてＥＣＵ１０がステップＳ１０６を処理することにより、本発明における吸蔵量推定手段として機能する。

なお、上記ステップＳ１０１は省略することもできる。ステップＳ１０１を省略したとしても、ステップＳ１０４において、隔壁内堆積量が所定量以下であるか否か判定されるため、隔壁内堆積量が所定量よりも多い状態で最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが算出されることはない。一方、ＥＣＵ１０が積極的にフィルタの再生を実施して、隔壁内堆積量が０になっていることをＥＣＵ１０が把握している場合には、ステップＳ１０２からステップＳ１０４の処理を省略してもよい。

図８に示したフローチャートのステップＳ１０６において最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが算出されると、ＥＣＵ１０は、三元触媒３１の劣化判定を実施する。図９は、三元触媒３１の劣化判定のフローを示したフローチャートである。図９に示した劣化判定は、図８に示したフローチャートによって最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが算出されると実行される。ステップＳ２０１では、最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが読み込まれ、ステップＳ２０２においてこの最大酸素吸蔵量Ｃｍａｘが下限値以上であるか否か判定される。この下限値は、フィルタ３にＰＭが堆積していない状態において、三元触媒３１が正常といえる最大酸素吸蔵量の下限値であり、予め実験またはシミュレーション等により求めておく。ステップＳ２０２で肯定判定された場合にはステップＳ２０３へ進んで、三元触媒３１は正常であると判定される。一方、ステップＳ２０２で否定判定された場合にはステップＳ２０４へ進んで、三元触媒３１が劣化していると判定される。

以上説明したように、本実施形態によれば、フィルタ３の隔壁内３ＢにＰＭが堆積していない状態のときに最大酸素吸蔵量を算出するため、ＰＭの影響を受けることなくフィルタ３に担持された触媒の酸素吸蔵能力を精度よく推定することができる。このため、三元触媒３１の劣化判定時に、ＰＭの影響を受けて誤判定が生じることを抑制できる。よって、フィルタ３に担持された触媒の劣化判定の精度を向上させることができる。

１内燃機関
２排気通路
３パティキュレートフィルタ
３Ａ表面
３Ｂ隔壁内
４噴射弁
５吸気通路
１０ＥＣＵ
１１第一空燃比センサ
１２第二空燃比センサ
１３温度センサ
１４差圧センサ
１５エアフローメータ
１６クランクポジションセンサ
１７アクセル開度センサ
３１三元触媒

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ酸素吸蔵能力を有する触媒を担持したパティキュレートフィルタと、
前記パティキュレートフィルタよりも下流の排気の空燃比を検出する空燃比検出手段と、
前記パティキュレートフィルタに流入する排気の空燃比を変化させる空燃比制御手段と、
前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量が所定量以下であるか否か判定する堆積判定手段と、
前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量が所定量以下である場合に、前記空燃比制御手段により排気の空燃比を変化させたときの前記空燃比検出手段により得られる排気の空燃比の変化から、前記触媒の最大酸素吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段と、
を備える内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタに堆積している粒子状物質が酸化されたか否かを判定する再生判定手段を更に備え、
前記堆積判定手段は、前記再生判定手段により粒子状物質が酸化されたと判定された後に、前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量が所定量以下であるか否か判定する、
請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記パティキュレートフィルタよりも上流側と下流側との排気の圧力差を検出する圧力差検出手段を更に備え、
前記堆積判定手段は、前記圧力差検出手段により検出される圧力差に基づいて、前記パティキュレートフィルタの隔壁内に堆積している粒子状物質の量を算出する、
請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化装置。