JP5821717B2

JP5821717B2 - 触媒異常判定システム

Info

Publication number: JP5821717B2
Application number: JP2012054321A
Authority: JP
Inventors: 大和西嶋; 中村　好孝; 好孝中村; 徹木所
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2012-03-12
Filing date: 2012-03-12
Publication date: 2015-11-24
Anticipated expiration: 2032-03-12
Also published as: JP2013185574A

Description

本発明は、触媒異常判定システムに関する。

還元雰囲気としたときの吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒という。）よりも下流側のＮＯｘセンサの出力値が所定値以下のときにＮＯｘ触媒が劣化していると判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。このＮＯｘ触媒の劣化は、ＮＯｘ触媒の硫黄被毒を指している。この判定は、ＮＯｘ濃度が安定するまで待ってから行われるため、劣化判定に要する時間が長くなる。

ところで、ＮＯｘセンサは、ＮＯｘと同様にＮＨ_３も検出してしまう。そして、ＮＯｘ触媒が新品状態で劣化していないときには、担持されている白金の活性が高いために、ＮＨ_３がほとんど生成されず、さらに、ＮＯｘ浄化率も高いために、ＮＯｘセンサの検出値が所定値以下となる。このため、ＮＯｘ触媒が新品状態または新品に近い状態のときにＮＯｘセンサの出力値を用いて劣化判定を行うと、該ＮＯｘ触媒が劣化していると判定される虞がある。

特開平１１−２２９８４９号公報特開２００８−０５７４０４号公報特開２００２−１８０８６５号公報

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、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常判定をより正確に行なう技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による触媒異常判定システムは、
内燃機関の排気通路に設けられてＮＯｘを吸蔵し、吸蔵していたＮＯｘを還元剤の供給により還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常を判定する触媒異常判定システムにおいて、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流のＮＨ_３を検出するＮＨ_３検出装置と、
前記供給装置から供給する還元剤量を調節することで排気の空燃比を変化させる制御装置と、
前記制御装置により排気の空燃比がリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ前記供給装置から還元剤を供給したときの前記ＮＨ_３検出装置の検出値に基づいて、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常を判定する判定装置と、
前記制御装置により排気の空燃比がリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ前記供給装置から還元剤を供給したときの前記ＮＨ_３検出装置の検出値を前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が新品のときから積算し、この積算した値である積算値が所定値以上となった場合に、前記判定装置による前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常判定の実行を許可する許可装置と、
を備える。

吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（以下、単にＮＯｘ触媒ともいう。）は、リーン空燃比のときに
ＮＯｘを吸蔵し、吸蔵していたＮＯｘを還元剤が存在するときに還元する。供給装置は、ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給することができる。還元剤は、排気通路を流通する排気中に供給してもよく、内燃機関から排出させるようにしてもよい。そして、還元剤を供給することで、排気の空燃比が低下する。

ここで、ＮＯｘ触媒に還元剤を供給すると、Ｈ_２やＨＣがＮＯと反応してＮＨ_３が生成されることがある。そして、ＮＯｘ触媒の劣化の進行と共に、該ＮＯｘ触媒における還元効率が低下する。このため、ＮＯｘ触媒で生成されるＮＨ_３量も少なくなる。

一方、ＮＯｘ触媒が新品のときには、ＮＯｘとＨＣとが反応してＮ_２に還元される。このため、ＮＨ_３がほとんど生成されない。

したがって、リッチ空燃比を目標として還元剤を供給したときのＮＨ_３検出装置の検出値は、ＮＯｘ触媒の新品時には小さい。そして、ＮＯｘ触媒の劣化の進行と共に検出値が大きくなるが、その後さらに劣化が進行すると検出値が小さくなる。すなわち、新品時と、劣化が許容範囲を超えた異常時と、でＮＨ_３の生成量がほとんど同じになる。

このため、許可装置は、ＮＯｘ触媒が新品のときや新品に近いときであって、ＮＯｘ触媒が異常な場合とＮＨ_３の生成量が同じになるときには、ＮＯｘ触媒の異常判定を許可しない。そして、ＮＯｘ触媒が正常な場合と異常な場合とで区別し得るだけのＮＨ_３が生成されるようになってから異常判定を許可する。なお、ＮＯｘ触媒の劣化が進行しても、ＮＯｘ浄化率が許容範囲内であれば、ＮＯｘ触媒は正常であると判定する。

ここで、制御装置により排気の空燃比がリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ供給装置から還元剤を供給したときのＮＨ_３検出装置の検出値をＮＯｘ触媒が新品のときから積算した値は、ＮＯｘ触媒の劣化の度合いと相関関係にある。したがって、積算値が所定値以上となった場合に、ＮＯｘ触媒が正常な場合と異常な場合とでＮＨ_３の生成量に差が生じる。これ以降に異常判定を行うことにより、異常判定の精度を高めることができる。なお、ここでいう所定値とは、ＮＯｘ触媒が正常な場合と異常な場合とでＮＨ_３の生成量に差が生じるときの積算値とすることができる。

なお、判定装置は、ＮＨ_３濃度が閾値よりも高いときにＮＯｘ触媒が正常であると判定し、ＮＨ_３濃度が閾値以下のときにＮＯｘ触媒が異常といえるほど劣化していると判定することができる。このときには、ＮＨ_３濃度の最大値に基づいて判定してもよい。

ここで、ＮＯｘ触媒の劣化の度合いに応じて吸蔵可能なＮＯｘ量が減少する。そして、還元剤を供給したときにＮＯｘ触媒から放出されるＮＯｘ量も劣化の度合いに応じて減少する。さらに、ＮＯｘ触媒から放出されたＮＯｘ及びＮＯｘ触媒に流入するＮＯｘが劣化の度合いに応じて反応し難くなるため、劣化の度合いに応じてＮＨ_３の生成量が減少する。このように、ＮＯｘ触媒にＮＯｘが吸蔵されているときに還元剤を供給すると、ＮＯｘ触媒が正常な場合と異常な場合とでＮＨ_３の生成量が異なるため、該ＮＨ_３の生成量に応じて異常判定を行うことができる。

また、本発明においては、前記ＮＨ_３検出装置は、排気中のＮＯｘ及びＮＨ_３を検出するＮＯｘセンサであってもよい。ここで、ＮＯｘセンサはＮＨ_３もＮＯｘと同様に検出する。このため、ＮＯｘセンサの検出値が、たとえばＮＯ_２の濃度なのか、またはＮＨ_３の濃度なのか判別することができない。しかし、リッチ空燃比となるまで還元剤を供給すると、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流側の排気中にはＮＯｘがほとんど含まれなくなる。このため、ＮＯｘセンサの検出値は、ＮＨ_３の濃度を示すことになる。したがって、ＮＯｘセンサを用いてＮＨ_３を検出することができる。

また、本発明においては、前記判定装置は、前記許可装置により異常判定が許可された場合において、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が正常であると仮定したときに推定される前記積算値と、実際の前記積算値と、の差が閾値以上の場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定することができる。

ここで、例えば、内燃機関が搭載される車両の走行距離、または、還元剤を供給した回数等に応じて、前記積算値が大きくなる。そして、ＮＯｘ触媒が正常であれば、多くのＮＨ_３が生成されるので、積算値の上昇度合いは比較的高い。一方、ＮＯｘ触媒の過熱等により異常が生じると、ＮＨ_３の生成量が減少するため、積算値の上昇度合いは低くなる。このため、ＮＯｘ触媒が正常であると仮定したときに推定される積算値と、実際の積算値と、に差が生じる。この差が閾値以上となったときに、ＮＯｘ触媒が異常であると判定することができる。ここでいう閾値は、ＮＯｘ触媒が正常であると仮定したときに推定される積算値と、ＮＯｘ触媒が異常なときの積算値と、の差の下限値である。

また、本発明においては、前記判定装置は、前記許可装置により異常判定が許可された場合において、前記積算値の変化率が閾値以下の場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定することができる。

すなわち、ＮＯｘ触媒が異常な場合には、積算値が上昇し難くなるので、変化率が低くなる。この変化率が閾値以下となったときに、ＮＯｘ触媒が異常であると判定することができる。ここでいう閾値は、ＮＯｘ触媒が異常なときの積算値の変化率の上限値である。

本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常判定をより正確に行なうことができる。

実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの吸蔵作用を説明するための図である。ＮＯｘ触媒におけるＮＯｘの還元作用を説明するための図である。ＮＯｘ触媒が正常な場合と異常な場合との夫々において、リッチスパイク時にＮＯｘ触媒に流入する排気の空燃比と、ＮＯｘ触媒よりも下流のＮＯｘ濃度及びＮＨ_３濃度と、の関係を示した図である。ＮＯｘ浄化率が８０％、５６％、２０％の夫々のＮＯｘ触媒について、リッチスパイク時のＮＯｘ触媒よりも下流のＮＨ_３濃度の推移を示した図である。リッチスパイク時のＮＯｘ触媒におけるＮＯｘ浄化率とＮＯｘ触媒よりも下流のＮＨ_３濃度との関係を示す図である。リッチスパイクを実施した回数または内燃機関が搭載される車両の走行距離と、ＮＯｘ触媒よりも下流のＮＨ_３生成量の積算値（ＮＨ_３積算値）との関係を示した図である。リッチスパイクを実施した回数または内燃機関が搭載される車両の走行距離と、ＮＨ_３積算値、ＮＯｘ触媒が正常な場合のＮＨ_３積算値と異常な場合のＮＨ_３積算値との差と、の関係を示した図である。リッチスパイクを実施した回数または内燃機関が搭載される車両の走行距離と、ＮＨ_３積算値と、の関係を示した図である。ＮＯｘ触媒の異常判定のフローを示したフローチャートである。

以下、本発明に係る触媒異常判定システムの具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

＜実施例１＞
図１は、本実施例に係る内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図１に示す内燃機関１は、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４（以下、ＮＯｘ触媒４という。）が備えられている。

ＮＯｘ触媒４は、たとえばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を担体とし、その担体上に、たとえばバリウム（Ｂａ）及び白金（Ｐｔ）を担持して構成されている。

このＮＯｘ触媒４は、流入する排気の酸素濃度が高いときは排気中のＮＯｘを吸蔵し、流入する排気の酸素濃度が低下し且つ還元剤が存在するときは吸蔵していたＮＯｘを還元する機能を有する。

また、ＮＯｘ触媒４よりも上流の排気通路２には、排気中に還元剤を噴射する噴射弁５が取り付けられている。噴射弁５は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して排気中へ還元剤を噴射する。還元剤には、たとえば内燃機関１の燃料（軽油）が用いられるが、これに限らない。噴射弁５から排気通路２内へ噴射された燃料は、排気通路２の上流から流れてきた排気の空燃比を低下させる。

なお、本実施例においては噴射弁５が、本発明における供給装置に相当する。また、内燃機関１から未燃燃料を排出させることで還元剤を供給することもできる。すなわち、気筒内に燃料を噴射する筒内噴射弁を備え、該筒内噴射弁から主噴射を行なった後の膨張行程中若しくは排気行程中に再度燃料を噴射する副噴射（ポスト噴射）を行なったり、筒内噴射弁からの燃料噴射時期を遅らせたりすることにより、内燃機関１から還元剤を多く含むガスを排出させることもできる。

また、ＮＯｘ触媒４よりも下流の排気通路２には、排気中のＮＨ_３濃度を測定するＮＨ_３センサ８及び排気の温度を測定する温度センサ９が取り付けられている。なお、本実施例においてはＮＨ_３センサ８が、本発明におけるＮＨ_３検出装置に相当する。また、ＮＨ_３センサ８には、ＮＯｘを検出するＮＯｘセンサを用いてもよい。ＮＯｘセンサは、ＮＯｘ及びＮＨ_３を検出する。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御する。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検知するアクセル開度センサ１２、および機関回転数を検知するクランクポジションセンサ１３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力される。

一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁５が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁５の開閉時期が制御される。なお、本実施例では噴射弁５から供給する還元量を調節するＥＣＵ１０が、本発明における制御装置に相当する。

ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒４に吸蔵されているＮＯｘの還元時に、噴射弁５から燃料を噴射することにより、ＮＯｘ触媒４に流入する排気の空燃比を比較的に短い周期で低下させる所謂リッチスパイクを実行する。このリッチスパイクにより、ＮＯｘ触媒４に還元剤
が供給される。噴射弁５から噴射させる還元剤量は、たとえば内燃機関１の運転状態（機関回転数及び機関負荷）に基づいて決定される。還元剤量と機関回転数と機関負荷との関係は予めマップ化しておくことができる。また、内燃機関１の吸入空気量に基づいて還元剤量を決定してもよい。さらに、排気通路２に空燃比センサを取り付けて、該空燃比センサにより検出される空燃比が目標値となるように還元剤量をフィードバック制御してもよい。

そして、ＥＣＵ１０は、リッチスパイクを行ったときにＮＨ_３センサ８により検出されるＮＨ_３濃度に基づいてＮＯｘ触媒４の異常判定を行う。この異常判定では、ＮＯｘ触媒４の劣化の度合いが許容範囲を超えたときにＮＯｘ触媒４が異常であると判定される。異常判定時のリッチスパイクでは、ＮＯｘ触媒４に吸蔵されているＮＯｘが基準値以上のときに排気の空燃比がリッチとなる範囲内で噴射弁５から還元剤を噴射させる。この基準値は、ＮＨ_３を生成するために必要となるＮＯｘ吸蔵量である。

ここで、図２は、ＮＯｘ触媒４におけるＮＯｘの吸蔵作用を説明するための図である。また、図３は、ＮＯｘ触媒４におけるＮＯｘの還元作用を説明するための図である。

ＮＯｘ触媒４は、排気の空燃比がリーンのときにＮＯをＰｔ上でＯ_２と酸化させ、ＢａへＢａ（ＮＯ_３）_２として吸蔵する。一方、還元剤を供給して排気の空燃比をリッチとすると、Ｂａ（ＮＯ_３）_２がＮＯ_２となって放出され、さらにＰｔ上でＮ_２に還元される。このときに、ＮＯｘ触媒４では、ＮＯとＨ_２とが反応して、ＮＨ_３とＨ_２Ｏとが生成される。また、ＨＣとＮＯとが反応して、ＮＨ_３とＨ_２ＯとＣＯ_２とが生成される。なお、ＮＯｘ触媒４に流入するＮＯｘも、ＮＯｘ触媒４から放出されるＮＯｘと同様に反応する。このようにして生成されたＮＨ_３は、ＮＨ_３センサ８において検出される。

なお、ＮＨ_３センサ８にＮＯｘセンサを用いた場合には、ＮＯｘ及びＮＨ_３が、ＮＨ_３センサ８により検出される。このため、ＮＨ_３センサ８により検出されたのが、ＮＨ_３であるのか、または、ＮＯｘであるのかを判別することは困難である。しかし、排気の空燃比をリッチ空燃比とすることで、ＮＯｘ触媒４から流出する排気中にはＮＯｘがほとんど含まれなくなる。したがって、このときにＮＨ_３センサ８により検出されるのは、ＮＨ_３ということになる。

ここで、図４は、ＮＯｘ触媒４が正常な場合と異常な場合との夫々において、リッチスパイク時にＮＯｘ触媒４に流入する排気の空燃比と、ＮＯｘ触媒４よりも下流のＮＯｘ濃度及びＮＨ_３濃度と、の関係を示した図である。実線は、ＮＯｘ触媒４が正常な場合を示し、一点鎖線は、ＮＯｘ触媒４が異常な場合を示している。なお、正常な場合のＮＯｘ触媒４のＮＯｘ浄化率は５６％であり、異常な場合のＮＯｘ触媒４のＮＯｘ浄化率は２０％である。ＮＯｘ浄化率とは、ＮＯｘ触媒４に流入するＮＯｘ量（ＮＯｘ濃度としてもよい）に対するＮＯｘ触媒４で浄化されるＮＯｘ量の比である。

図４において、ＮＯｘ触媒４が正常な場合には、リッチ空燃比（例えば１４．７未満）のときにＮＨ_３が生成される。このときには、ＮＯｘは検出されない。

一方、ＮＯｘ触媒４が異常な場合には、正常な場合よりも、リッチ空燃比のときのＮＨ_３生成量が少ない。また、空燃比が例えば１４．０よりも低くなると、ＮＯｘが検出される。これは、ＮＯｘ触媒４が異常といえるほど劣化すると、リッチスパイク時にＮＯｘ触媒４の温度が低下してＮＯｘ触媒４が失活するためと考えられる。

そして、空燃比１４．０から１４．５までの間では、ＮＯｘ触媒４が正常であるか否かにかかわらず、ＮＯｘ濃度は低い。そして、この範囲の空燃比では、ＮＯｘ触媒４が異常
な場合よりも正常な場合のほうがＮＨ_３濃度が高くなる。このため、ＮＨ_３センサ８にＮＯｘセンサを用いた場合には、空燃比１４．０から１４．５までの間でリッチスパイクを実施することにより、ＮＨ_３の濃度のみを検出することができる。そして、空燃比１４．０から１４．５までの間でリッチスパイクを実施することにより、ＮＯｘ触媒４が正常な場合と、異常な場合と、でＮＨ_３濃度に差が生じる。したがって、ＮＨ_３濃度に基づいて、ＮＯｘ触媒４の異常判定を行うことができるとも考えられる。

次に、図５は、ＮＯｘ浄化率が８０％、５６％、２０％の夫々のＮＯｘ触媒４について、リッチスパイク時のＮＯｘ触媒４よりも下流のＮＨ_３濃度の推移を示した図である。このリッチスパイクでは、ＮＯｘ触媒４に流入する排気の空燃比が１４．１となるように還元剤量が調整されている。また、ＮＯｘ触媒４には、ＮＨ_３を生成させるだけのＮＯｘが吸蔵されている。なお、ＮＯｘ浄化率が８０％の場合は、ＮＯｘ触媒４が新品の場合であり、ＮＯｘ触媒４が正常な場合である。また、ＮＯｘ浄化率が５６％の場合は、ＮＯｘ触媒４の劣化の度合いが低い場合であり、このときにもＮＯｘ触媒４は正常とされる。しかし、ＮＯｘ浄化率が２０％の場合は、ＮＯｘ触媒４の劣化の度合いが高い場合であり、ＮＯｘ触媒４が異常な場合である。

ここでＮＯｘ浄化率が５６％及び２０％の場合には、リッチスパイク時にＮＨ_３が生成されるので、ＮＯｘ触媒４よりも下流のＮＨ_３濃度が上昇する。ただし、リッチスパイク開始からＮＨ_３が生成されるまでには、ある程度の時間がかかるため、ＮＨ_３濃度は直ぐには上昇しない。一方、ＮＯｘ浄化率が８０％の場合には、リッチスパイク時であっても、ＮＨ_３濃度は上昇しない。

ここで、ＮＯｘ触媒４が新品の場合には、Ｐｔの劣化がないため、リッチ空燃比となるように還元剤を供給しても、ＮＯがＨ_２またはＨＣと活発に反応してＮ_２に還元される。このため、ＮＨ_３がほとんど生成されない。そうすると、ＮＯｘ触媒４が新品の場合であっても、異常な場合であっても、ＮＨ_３センサ８の検出値が小さくなるので、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＯｘ触媒４の異常判定を行うことが困難となる。

図６は、リッチスパイク時のＮＯｘ触媒４におけるＮＯｘ浄化率とＮＯｘ触媒４よりも下流のＮＨ_３濃度との関係を示す図である。このリッチスパイクでは、ＮＯｘ触媒４に流入する排気の空燃比が１４．１となるように還元剤量が調整されている。ＮＯｘ浄化率が２０％以下のときにＮＯｘ触媒４は異常であるとされ、ＮＯｘ浄化率が２０％よりも高いときにＮＯｘ触媒４は正常であるとされる。

図６に示されるように、ＮＯｘ浄化率が８０％から５６％に低下するにしたがって、ＮＨ_３濃度は高くなる。一方、ＮＯｘ浄化率が５６％から２０％に低下するにしたがって、ＮＨ_３濃度は低くなる。すなわち、ＮＯｘ浄化率が５６％付近でＮＨ_３濃度が最も高くなる。ここで、ＮＯｘ浄化率が２０％のときと、７５％のときと、でＮＨ_３濃度が略同じになる。したがって、ＮＯｘ触媒４が新品（ＮＯｘ浄化率８０％）から劣化が進んでＮＯｘ浄化率が７５％になるまでの間と、ＮＯｘ浄化率が２０％となった後と、では共にＮＨ_３濃度が低くなるので、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＯｘ触媒４の異常判定を行うことが困難となる。

次に、図７は、リッチスパイクを実施した回数または内燃機関１が搭載される車両の走行距離と、ＮＯｘ触媒４よりも下流のＮＨ_３濃度の積算値（ＮＨ_３積算値）との関係を示した図である。ＮＯｘ触媒４よりも下流のＮＨ_３濃度は、ＮＨ_３センサ８の検出値としてもよい。ここで、リッチスパイクを実施するときにＮＨ_３が生成されるので、リッチスパイクを実施する回数が多くなるほど、ＮＨ_３積算値は大きくなる。また、走行距離が長くなるほど、内燃機関１から排出されたＮＯｘの積算値が大きくなるので、ＮＨ_３積算値は
大きくなる。

そして、ＮＨ_３積算値は、ＮＯｘ触媒４の劣化の度合いと相関関係がある。すなわち、ＮＯｘ触媒４の劣化の度合いが高くなるほど、ＮＨ_３積算値が大きくなる。このため、ＮＨ_３積算値に基づいて、ＮＯｘ触媒４の劣化の度合いをある程度は推定することができる。そして、ＮＯｘ触媒４が新品（ＮＯｘ浄化率８０％）から劣化が進んでＮＯｘ浄化率が７５％になるまでの間と、ＮＯｘ浄化率が２０％となった後と、では、ＮＨ_３積算値が異なる。なお、ＮＯｘ浄化率の７５％に対応するＮＨ_３積算値（図７の所定値）は、予め実験等により求めることができる。したがって、ＮＯｘ浄化率の７５％に対応するＮＨ_３積算値よりも、実際のＮＨ_３積算値が大きくなった後に、ＮＯｘ触媒４の異常判定を実施すれば、ＮＯｘ浄化率が７５％から８０％の間にあるときに異常判定が行われることを抑制できる。すなわち、リッチスパイクの回数又は走行距離が、Ａで示される値となった後にＮＨ_３センサ８の出力値に基づいて、ＮＯｘ触媒４の異常判定を実施する。このように、ＮＯｘ触媒４の異常判定を実施可能な時期の始期は、図７において「検出範囲」で示される。

なお、ＮＨ_３積算値の代わりに、ＮＨ_３センサ８の出力値と排気の流量とに基づいて算出されるＮＨ_３の生成量の積算値を用いてもよい。また、ＮＨ_３積算値は、ＮＨ_３センサ８の出力の最大値を積算して求めてもよく、ＮＨ_３センサ８の出力を全て積算して求めてもよい。すなわち、ＮＨ_３濃度を積算してもよく、ＮＨ_３量を積算してもよい。また、ＮＯｘ触媒４の異常判定が可能となる時期を求めるだけであれば、内燃機関１の運転状態に基づいてＮＨ_３濃度またはＮＨ_３生成量を推定し、この値を積算してもよい。

このように、ＮＨ_３積算値が所定値以上となれば、ＮＨ_３センサ８の出力値に基づいてＮＯｘ触媒４の異常判定を行うことができる。例えば、リッチスパイク時にＮＨ_３センサ８で検出されるＮＨ_３濃度が閾値以下であれば、ＮＯｘ触媒４に異常があり、閾値よりも高ければ、ＮＯｘ触媒４は正常であると判定できる。この閾値は、ＮＯｘ触媒４が異常な場合のＮＨ_３濃度の上限値である。また、以下のようにしてＮＯｘ触媒４の異常判定を行ってもよい。

図８は、リッチスパイクを実施した回数または内燃機関１が搭載される車両の走行距離と、ＮＨ_３積算値、ＮＯｘ触媒４が正常な場合のＮＨ_３積算値と異常な場合のＮＨ_３積算値との差と、の関係を示した図である。図８のＡで示される時点は、図７のＡで示される時点と同じであり、ＮＯｘ触媒４の異常判定が可能となる時点である。また、Ｂで示される時点において、ＮＯｘ触媒４の過熱により該ＮＯｘ触媒４が異常となる。

図８に示されるように、ＮＯｘ触媒４が異常な場合には、正常な場合よりも、ＮＨ_３積算値の増加の度合いが低くなる。このため、ＮＯｘ触媒４が正常な場合のＮＨ_３積算値と異常な場合のＮＨ_３積算値との差は、ＮＯｘ触媒４が過熱した時点Ｂから増加する。

例えば、ＮＯｘ触媒４が正常な場合のＮＨ_３積算値を予め実験等により求めておき、この値と、実際のＮＨ_３積算値との差が閾値以上となったときに、ＮＯｘ触媒４が異常であると判定することができる。

また、例えば、所定期間におけるＮＨ_３積算値の変化量ΔＹに基づいて、ＮＯｘ触媒４が正常であるか否か判定することもできる。所定期間におけるＮＨ_３積算値の変化量ΔＹは、単位時間当たりの変化量としてもよく、変化率若しくは傾きとしてもよい。ここで、図９は、リッチスパイクを実施した回数または内燃機関１が搭載される車両の走行距離と、ＮＨ_３積算値と、の関係を示した図である。図９におけるＡおよびＢの時点は、図８におけるＡおよびＢの時点と同じ時点である。そして、ＣからＤの期間を所定期間としてい
る。

ＮＯｘ触媒４が正常な場合には、ＮＨ_３生成量が多いために、ＮＨ_３積算値の増加の度合いが高くなる。このためＣからＤの期間におけるＮＨ_３積算値の変化量ΔＹは、比較的大きい。一方、ＮＯｘ触媒４が異常な場合には、ＮＨ_３生成量が少ないために、ＮＨ_３積算値の増加の度合いが低くなる。このためＣからＤの期間におけるＮＨ_３積算値の変化量ΔＹは、比較的小さい。

例えばＮＯｘ浄化率が２０％のときのＮＨ_３積算値の変化量ΔＹを予め実験等により求めて閾値として設定しておけば、ＮＨ_３積算値の変化量ΔＹが閾値以下となったときに、ＮＯｘ触媒４が異常であると判定することができる。なお、ＣからＤの期間では、少なくとも１回のリッチスパイクが行われる。

図１０は、ＮＯｘ触媒４の異常判定のフローを示したフローチャートである。本ルーチンは、ＥＣＵ１０により所定の期間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、ＮＯｘ触媒４の異常判定を行う前提条件が成立しているか否か判定される。たとえばＮＨ_３センサ８が正常であり、且つＮＯｘ触媒４の温度がＮＯｘの還元に適した温度となっているときに前提条件が成立していると判定される。ＮＨ_３センサ８が正常であるか否かは、周知の技術により判定することができる。また、ＮＯｘの還元に適した温度とは、たとえば、ＮＯｘ触媒４が活性化しているときの温度である。ＮＯｘ触媒４の温度が低すぎると活性が低下し、ＮＯｘ触媒４の温度が高すぎるとＮＯｘとＨＣとが反応してＮ_２に還元されるため、ＮＨ_３の生成量が減少する。ＮＯｘ触媒４の温度は、温度センサ９により検出される。なお、リッチスパイクを行う条件が成立しているか否か判定してもよい。

ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０２へ進み、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０２では、ＮＯｘ触媒４のＮＯｘ吸蔵量が基準値以上であるか否か判定される。ここでいう基準値とは、ＮＯｘ触媒４に還元剤を供給したときに、ＮＯｘ触媒４の異常判定に必要な量のＮＨ_３が生成されるＮＯｘ吸蔵量である。本ステップでは、還元剤供給時にＮＯｘ触媒４が正常であるならば、ＮＯｘ触媒４に吸蔵されているＮＯｘから生成されるＮＨ_３量が十分な量となるか否か判定している。ステップＳ１０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０３へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０２を再度処理する。すなわち、ＮＯｘ吸蔵量が基準値以上となるまで繰り返しステップＳ１０２が処理される。

ステップＳ１０３では、目標となる空燃比を例えば１４．０から１４．５の間に設定して、リッチスパイクが行われる。本ステップでは、図４においてＮＯｘ濃度が０となる範囲に空燃比を調整している。また、図５に示すように、リッチスパイクを開始してから、ＮＨ_３濃度が上昇するまでに時間がかかるので、ＮＨ_３濃度が上昇するのに必要な時間が経過するまでリッチスパイクを継続する。

ステップＳ１０４では、ＮＨ_３濃度が積算される。すなわち、ＮＨ_３センサ８の出力値が積算されて、ＮＨ_３積算値が算出される。この積算値は、ＮＯｘ触媒４が新品のときからの積算値である。本ステップでは、ＮＨ_３センサ８の出力値の最大値を積算してもよいし、ＮＨ_３センサ８の出力値を全て積算してもよい。また、ＮＨ_３センサ８の出力値と排気の流量とからＮＨ_３生成量を算出し、このＮＨ_３生成量を積算してもよい。

ステップＳ１０５では、ＮＨ_３積算値が所定値以上であるか否か判定される。この所定値は、ＮＯｘ浄化率の７５％に対応するＮＨ_３積算値である。すなわち、本ステップでは、ＮＯｘ浄化率が８０％から７５％の間ではないことを判定している。これは、ＮＯｘ触媒４が新品ではないことを判定しているともいえる。ここでいう所定値は、図７において説明した所定値と同じである。ステップＳ１０５で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、一方、否定判定がなされた場合には本ルーチンを終了させる。なお、本実施例においてはステップＳ１０５を処理するＥＣＵ１０が、本発明における許可装置に相当する。

ステップＳ１０６では、ＮＯｘ触媒４が正常であると仮定した場合に推定されるＮＨ_３積算値と、実際のＮＨ_３積算値と、の差が閾値未満であるか否か判定される。この閾値は、ＮＯｘ触媒４が異常である場合に、ＮＯｘ触媒４が正常であると仮定した場合に推定されるＮＨ_３積算値と、実際のＮＨ_３積算値との差の下限値である。ＮＯｘ触媒４が正常であると仮定した場合のＮＨ_３積算値は、例えば車両の走行距離と関連付けて予め時実験等により求めてＥＣＵ１０に記憶させておけば、車両の走行距離に基づいて推定することができる。また、リッチスパイクを実施した回数に基づいて推定することもできる。

なお、本ステップでは、図９において説明したように、所定期間におけるＮＨ_３積算値の変化量ΔＹが閾値よりも大きいか否か判定してもよい。また、所定期間におけるＮＨ_３積算値の変化量ΔＹは、ＮＨ_３積算値の変化率としてもよい。

ステップＳ１０６で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進んで、ＮＯｘ触媒４は正常であると判定される。一方、ステップＳ１０６で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進んで、ＮＯｘ触媒４は異常であると判定される。なお、本実施例においてはステップＳ１０６以降を処理するＥＣＵ１０が、本発明における判定装置に相当する。

以上説明したように、本実施例によれば、ＮＯｘ触媒４が新品に近いときには、ＮＨ_３生成量の積算値を用いて該ＮＯｘ触媒４の異常判定を行わないため、誤判定を抑制できる。

１内燃機関
２排気通路
４吸蔵還元型ＮＯｘ触媒
５噴射弁
８ＮＨ_３センサ
９温度センサ
１０ＥＣＵ
１１アクセルペダル
１２アクセル開度センサ
１３クランクポジションセンサ

Claims

内燃機関の排気通路に設けられてＮＯｘを吸蔵し、吸蔵していたＮＯｘを還元剤の供給により還元する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常を判定する触媒異常判定システムにおいて、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒へ還元剤を供給する供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流のＮＨ_３を検出するＮＨ_３検出装置と、
前記供給装置から供給する還元剤量を調節することで排気の空燃比を変化させる制御装置と、
前記制御装置により排気の空燃比がリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ前記供給装置から還元剤を供給したときの前記ＮＨ_３検出装置の検出値であって前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化の進行と共に大きくなり、その後さらに劣化が進行すると小さくなる検出値に基づいて、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常を判定する判定装置と、
前記制御装置により排気の空燃比がリッチ空燃比となるように還元剤量を調節しつつ前記供給装置から還元剤を供給したときの前記ＮＨ_３検出装置の検出値を前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が新品のときから積算し、この積算した値である積算値が、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が正常な場合と異常な場合とでＮＨ _３の生成量に差が生じるときの値である所定値以上となった場合に、前記判定装置による前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の異常判定の実行を許可する許可装置と、
を備える触媒異常判定システム。
前記判定装置は、前記許可装置により異常判定が許可された場合において、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が正常であると仮定したときに推定される前記積算値と、実際の前記積算値と、の差が閾値以上の場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定する請求項１に記載の触媒異常判定システム。
前記判定装置は、前記許可装置により異常判定が許可された場合において、前記積算値の変化率が閾値以下の場合に、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定する請求項１に記載の触媒異常判定システム。