JPH10259714A

JPH10259714A - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JPH10259714A
Application number: JP10040555A
Authority: JP
Inventors: Kanehito Nakamura; 兼仁中村; Tsukasa Kuboshima; 司窪島; Hajime Suguro; 肇勝呂; Koichi Ohata; 耕一大畑
Original assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Current assignee: Denso Corp; Toyota Motor Corp
Priority date: 1998-02-23
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 1998-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】ＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化状態を精度よく推定
して、触媒へのＨＣ供給量又は触媒温度を適正に制御す
る。【解決手段】ＮＯｘ触媒の中央付近と出口にそれぞれ
ＮＯｘセンサを設置する。そして、アクセルセンサとエ
ンジン回転数センサの出力に基づいて触媒入ガスのＮＯ
ｘ濃度Ｓ1 とＮＯｘ量を算出し（ステップ１０１，１０
２）、上記２つのＮＯｘセンサの出力Ｓ2 ，Ｓ3 と触媒
入ガスのＮＯｘ濃度Ｓ1 とからＮＯｘ浄化率と触媒内部
の下流側部分のＮＯｘ濃度変化（Ｓ2 −Ｓ3 ）を算出し
（ステップ１０４）、その算出値から触媒活性状態を推
定し（ステップ１０５）、その結果、現在の触媒活性状
態がＮＯｘ浄化温度ウインドの低温側と判断されれば、
ＨＣ基準供給量の算出と触媒の昇温を行う（ステップ１
０６）。ＮＯｘ浄化温度ウインドの高温側と判断されれ
ば、ＨＣ基準供給量の算出と触媒の降温を行う（ステッ
プ１０７）。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の排気ガ
ス中に含まれる窒素酸化物を浄化する装置に関するもの
であり、より詳しくは触媒の窒素酸化物浄化状態を推定
する機能を備えた内燃機関の排気浄化装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】ディーゼルエンジン等の酸素過剰下で燃
料の燃焼が行われる内燃機関から排出される排気中の窒
素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、排気管内にＮＯ
ｘ触媒を設置し、炭化水素（燃料）を還元剤としてＮＯ
ｘ触媒に供給してＮＯｘを還元浄化する技術が提案され
ている。この触媒の浄化特性は、図２に示すように、炭
化水素（ＨＣ）の浄化率は触媒温度が高くなるに従って
高くなるが、ＮＯｘの浄化率は所定の活性温度範囲（例
えばＰｔ触媒では２００℃から３００℃）においてのみ
高いことが知られている。

【０００３】しかし、通常の内燃機関の排気ガス中には
ほとんどＨＣが含まれていないため、ＮＯｘ触媒でＮＯ
ｘを還元浄化するためには、排気ガスに還元剤であるＨ
Ｃを添加する必要がある。ＮＯｘの浄化率を高くするに
はＨＣを多量に供給すれば良いが、燃費が悪化したり、
触媒の活性状態によっては、未反応のまま排出されてし
まったり、或は、ＨＣの反応熱で触媒温度が上昇し、上
記所定温度範囲を外れてしまい、却ってＮＯｘの浄化率
が低下してしまう場合がある。従って、運転中にＮＯｘ
触媒のＮＯｘ浄化性能を精度良く推定しながら、供給す
る炭化水素量を制御したり、ＮＯｘ触媒の温度を制御し
たり、ＮＯｘ触媒の劣化を判定する必要がある。そのた
めに、特開平７−５４６４１号公報に示すように、ＮＯ
ｘ触媒の上流側と下流側にそれぞれＮＯｘセンサを設
け、これら２つのＮＯｘセンサで検出したＮＯｘ濃度の
差からＮＯｘ浄化率を算出してＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化
性能を推定するようにしたものがある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＮＯｘ触媒の
ＮＯｘ浄化率は、ＮＯｘ触媒内部のＨＣ濃度分布や触媒
温度分布で大きく変化してしまう。また、図２に示すよ
うに触媒温度が上記所定温度範囲の低温側の領域（昇温
によりＮＯｘ浄化率が向上する領域）と高温側の領域
（降温によりＮＯｘ浄化率が向上する領域）との間で同
じＮＯｘ浄化率になる場合があるため、ＮＯｘ浄化率だ
けでは低温側か高温側かを判別できない。従って、ＮＯ
ｘ浄化率からＮＯｘ触媒のＮＯｘ浄化性能を推定する
と、ＨＣ濃度が低いためにＮＯｘ浄化率が低いのか、触
媒温度が低い（又は高い）ためにＮＯｘ浄化率が低いの
か、それとも、ＮＯｘ触媒の劣化によりＮＯｘ浄化率が
低いのかが判別できず、ＮＯｘ触媒へのＨＣ供給量の制
御が不適切になったり、ＮＯｘ触媒の劣化を誤判定する
おそれがある。

【０００５】本発明は、このような事情を考慮してなさ
れたものであり、従ってその目的は、触媒の窒素酸化物
浄化状態を精度よく推定することができ、それによっ
て、触媒への炭化水素供給量又は触媒温度を適正に制御
することができ、或は、ＮＯｘ触媒の劣化を精度良く判
定することができる内燃機関の排気浄化装置を提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】ＮＯｘ浄化率とＮＯｘ触
媒内部の反応物質であるＮＯｘとＨＣの濃度分布の関係
を詳細に調査したところ、以下のことが判明した。これ
を図２から図５を用いて説明する。図２は触媒温度に対
するＮＯｘとＨＣの浄化特性を示す。ＨＣは触媒温度が
高温になるに従って浄化率が高くなるが、ＮＯｘの浄化
率は所定温度範囲（たとえばＰｔ触媒では２００から３
００℃）でのみ高くなる（以下、ＮＯｘの浄化可能な温
度範囲Ｔ1 〜Ｔ3 を「ＮＯｘ浄化温度ウインド」と呼
ぶ）。

【０００７】図３は図２のＡ点（ＮＯｘ浄化温度ウイン
ドの低温側）での触媒内部のＮＯｘとＨＣの濃度分布を
示す。この場合は、触媒の活性が低いため触媒内部のＨ
Ｃ濃度は緩やかに低下していき、ＨＣの反応に応じてＮ
Ｏｘ濃度も緩やかに低下していくため、触媒内部の下流
側部分のＨＣとＮＯｘの濃度変化は小さい。この状態で
は、多量のＨＣを供給しても未反応なまま触媒から排出
されてしまうことになり、ＮＯｘ浄化率の向上効果は少
ない。従って、ＮＯｘ浄化温度ウインドの低温側では、
ＨＣ供給量は少量が適し、触媒を昇温することが有効に
なる。

【０００８】図４は図２のＢ点（ＮＯｘ浄化率が最大に
なるＮＯｘ浄化温度ウインドの中央）での触媒内部のＮ
ＯｘとＨＣの濃度分布を示す。この場合は、触媒の活性
が適度に高いため触媒内部のＨＣ濃度は速やかに低下し
ていき、触媒出口でＨＣ濃度が丁度ゼロになり、触媒の
全領域でＨＣの反応に応じてＮＯｘ濃度も速やかに低下
していくため、触媒内部の中央から出口までのＨＣ、Ｎ
Ｏｘ濃度変化は大きくなり、ＮＯｘ浄化率は最大にな
る。この状態では、多量のＨＣを供給しても、そのＨＣ
が触媒の全領域を有効に使用してＮＯｘの還元反応に十
分に消費され、ＮＯｘ浄化率の向上を期待できる。従っ
て、ＮＯｘ浄化温度ウインドの中央では、ＨＣ供給量は
多量が適し、触媒は昇温も降温もするべきではない。

【０００９】図５は図２のＣ点（ＮＯｘ浄化温度ウイン
ドの高温側）での触媒内部のＮＯｘとＨＣの濃度分布を
示す。この場合は、触媒の活性が高すぎるため、触媒内
部のＨＣ濃度は急激に低下していき、触媒前半部でゼロ
になり、触媒前半部ではＨＣの反応に応じてＮＯｘ濃度
も急激に低下するが、触媒後半部では還元剤となるＨＣ
が存在しないためＮＯｘが浄化されず、一定濃度にな
り、触媒内部の下流側部分のＨＣ、ＮＯｘ濃度変化は極
めて小さくほぼゼロになる。この状態では、多量のＨＣ
を供給しても触媒前半部でほとんど全て消費されてしま
うばかりか、そのＨＣの反応熱で触媒が過昇温してしま
うため、ＮＯｘ浄化率がむしろ低下してしまうことがあ
る。従って、ＮＯｘ浄化温度ウインドの高温側では、Ｈ
Ｃ供給量は中程度の量が適し、触媒は降温すべきであ
る。

【００１０】ところが、前述した特開平７−５４６４１
号公報のように、ＮＯｘ浄化率で触媒のＮＯｘ浄化性能
を推定すると、図２のＡ点なのかＢ点なのか区別できな
い。また、ＨＣ浄化率で触媒のＮＯｘ浄化性能を推定す
ると、Ｂ点なのかＣ点なのか区別できない。以上より、
触媒内部の反応物質（ＨＣ、ＮＯｘ）の濃度分布が分か
れば、触媒の活性状態が図２に示したＮＯｘ浄化温度ウ
インドのどの位置であるかを精度良く推定でき、ＨＣ供
給量を常に最適に制御したり、触媒温度を最適に制御す
ることが可能になる。

【００１１】そこで、請求項１の発明によると、触媒状
態検出手段により触媒の内部の反応物質濃度分布を反映
した情報を検出し、その検出情報に基づいて触媒のＮＯ
ｘ浄化状態を浄化状態推定手段により推定し（例えばＮ
Ｏｘ浄化温度ウインドのＡ点、Ｂ点、Ｃ点かを判別
し）、推定したＮＯｘ浄化状態と運転状態検出手段の検
出情報とに基づいて触媒へのＨＣ供給量を設定する。こ
のようにすれば、触媒状態検出手段の検出情報から触媒
のＮＯｘ浄化状態（触媒内部の反応活性分布）を推定で
きるため、触媒温度や触媒の劣化に拘らず、常に最適な
ＨＣ量を触媒に供給することができる。

【００１２】この場合、請求項２のように、浄化状態推
定手段により推定したＮＯｘ浄化状態に基づいて触媒温
度調整手段により触媒温度をＮＯｘ浄化率を高める方向
に調整するようにしても良い。例えば、触媒の反応活性
が低い場合（ＮＯｘ浄化温度ウインドの低温側）では、
触媒を昇温して触媒の反応活性を増加させ、逆に触媒の
反応活性が高い場合（ＮＯｘ浄化温度ウインドの高温
側）では、触媒を降温して触媒の反応活性を減少させ
て、ＮＯｘ浄化率を向上させる。

【００１３】

【発明の実施の形態】

［実施形態（１）］以下、本発明の実施形態（１）を図
１乃至図７に基づいて説明する。まず、図１に基づいて
システム全体の構成を説明する。内燃機関であるディー
ゼルエンジン１１の吸気管１０には、吸入空気量を測定
するエアーフローセンサ１６が設置されている。一方、
排気管１２（排ガス通路）の途中には、排気中の窒素酸
化物（ＮＯｘ）を還元浄化するＮＯｘ触媒１３が設けら
れ、このＮＯｘ触媒１３の中央側と下流側には、それぞ
れ排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ１４，１
５（窒素酸化物センサ）が設置されている。これら両Ｎ
Ｏｘセンサ１４，１５は、ＮＯｘ触媒１３の内部の反応
物質濃度分布であるＮＯｘ濃度分布を検出する触媒状態
検出手段として用いられる。

【００１４】上記ＮＯｘ触媒１３の上流側には、ＮＯｘ
触媒１３に還元剤として炭化水素（軽油等の燃料）を供
給するＨＣ供給装置１７（炭化水素供給手段）が設けら
れている。このＨＣ供給装置１７には、燃料噴射ポンプ
１８から中圧燃料配管１９を介して燃料が供給される。
燃料噴射ポンプ１８は、ディーゼルエンジン１１の動力
を駆動源とし、燃料タンク（図示せず）から吸い込んだ
燃料を高圧化して高圧燃料配管２０を介してディーゼル
エンジン１１の各気筒の燃料噴射ノズル２１に供給し、
各燃料噴射ノズル２１から燃料を各気筒内に噴射して燃
焼させる。

【００１５】また、ディーゼルエンジン１１の排気管１
２と吸気管１０との間には、排気ガスの一部を吸気管１
０に還流させるＥＧＲ配管２３が接続され、このＥＧＲ
配管２３の途中にＥＧＲバルブ２４が設けられている。
このＥＧＲバルブ２４は、制御バルブ２５によりバルブ
開度が可変され、その開度調整によりＥＧＲ配管２３を
通過するＥＧＲガス量を制御する。制御バルブ２５はエ
ンジン運転状態に応じて制御回路２６により制御され
る。

【００１６】制御回路２６は、マイクロコンピュータを
主体として構成され、アクセルセンサ２７、エンジン回
転数センサ２８等の運転状態検出手段から出力されるエ
ンジン運転状態の情報とＮＯｘセンサ１４，１５から出
力されるＮＯｘ濃度の情報を読み込み、これらの情報に
基づいて後述する図６の触媒活性制御プログラムによっ
てＮＯｘ触媒１３へのＨＣ供給量を算出し、それに応じ
てＨＣ供給装置１７を制御する制御手段として機能す
る。また、この制御回路２６は、触媒温度調整手段とし
ての役割も果たし、推定した触媒の温度状態（活性状
態）に応じて、燃料噴射時期を進角、遅角したり、ＥＧ
Ｒ流量を増減補正することで排気温度を昇温又は降温さ
せて触媒温度を制御する。

【００１７】以下、この制御回路２６によって実行され
る図６の触媒活性制御プログラムの処理内容を説明す
る。本プログラムは、所定時間毎又は所定クランク角毎
に実行される。本プログラムが起動されると、まずステ
ップ１０１で、アクセルセンサ２７とエンジン回転数セ
ンサ２８とエアーフローセンサ１６から出力される各信
号を読み込む。この後、ステップ１０２で、アクセルセ
ンサ２７とエンジン回転数センサ２８の出力信号に基づ
いてディーゼルエンジン１１から排出されるＮＯｘ濃
度、つまり、ＮＯｘ触媒１３に流入する排気ガス（触媒
入ガス）のＮＯｘ濃度Ｓ1 と、該触媒入ガスのＮＯｘ量
を算出する。

【００１８】この後、ステップ１０３で、触媒中央側の
ＮＯｘセンサ１４の信号Ｓ2 （触媒中央側のＮＯｘ濃
度）と下流側ＮＯｘセンサ１５の信号Ｓ3 （下流側ＮＯ
ｘ濃度）を読み込む。次のステップ１０４で、ＮＯｘ触
媒１３のＮＯｘ浄化率を、ＮＯｘ浄化率＝（Ｓ1 −Ｓ3 ）／Ｓ1 の式で算出し、更に、Ｓ2 一Ｓ3 なる式で、ＮＯｘ触媒
１３内部の下流側部分のＮＯｘ濃度変化（分布）を算出
する。

【００１９】次に、ステップ１０５に進み、上記ステッ
プ１０４で算出したＮＯｘ浄化率とＮＯｘ触媒１３内部
の下流側部分のＮＯｘ濃度変化に基づいて、ＮＯｘ触媒
１３のＮＯｘ浄化状態、つまり触媒活性状態を推定す
る。このステップ１０５の処理が特許請求の範囲でいう
浄化状態推定手段としての役割を果たす。ここで、触媒
活性状態の推定方法を図７を用いて説明する。図７は触
媒活性状態に対するＮＯｘ浄化率と基準ＮＯｘ排出量時
のＨＣ基準供給量を示している。ＨＣ基準供給量は、Ｎ
Ｏｘ浄化特性から適合され、ＮＯｘ浄化率が高い時はＨ
Ｃ供給量を大きくし、ＮＯｘ浄化率が低い時はＨＣ供給
量を小さくするように設定されている。例えば、ステッ
プ１０４で算出したＮＯｘ浄化率が図７のＭであるとす
ると、このＮＯｘ浄化率Ｍに対応する触媒活性状態Ｄ
点，Ｅ点を現在の触媒活性状態として求める。この後、
ＮＯｘ触媒１３内部の下流側部分のＮＯｘ濃度変化に基
づいて現在の触媒活性状態がＤ点かＥ点かを判別する。
この判別法は、図３から図５で説明したように、ＮＯｘ
触媒１３内部の下流側部分のＮＯｘ濃度変化が大きけれ
ば、触媒活性状態はＮＯｘ浄化温度ウインドの中央にあ
り、ＮＯｘ濃度変化が小さければ、ＮＯｘ浄化温度ウイ
ンドの低温側にあり、ＮＯｘ濃度変化が極めて小さくほ
ぼゼロであれば、ＮＯｘ浄化温度ウインドの高温側にあ
ると判断する。

【００２０】以上のようにして、ステップ１０５で、Ｎ
Ｏｘ浄化率とＮＯｘ触媒１３内部の下流側部分のＮＯｘ
濃度変化に基づいて触媒活性状態を推定し、その結果、
ＮＯｘ浄化温度ウインドの低温側（Ｄ点）と判断した場
合は、ステップ１０６に進み、ＨＣ基準供給量を図７の
特性から算出すると共に、ＮＯｘ触媒１３を昇温する指
令を出力し、ステップ１０９に進む。ここで、ＮＯｘ触
媒１３を昇温する手段としては、例えば燃料噴射時期を
遅角したり、ＥＧＲ流量を増量すれば良い。

【００２１】一方、ステップ１０５でＮＯｘ浄化温度ウ
インドの中央と判断した場合は、ステップ１０８に進
み、ＨＣ基準供給量を図７の特性から算出し、ステップ
１０９に進む。また、ＮＯｘ浄化温度ウインドの高温側
（Ｅ点）と判断した場合は、ステップ１０７に進み、Ｈ
Ｃ基準供給量を図７の特性から算出すると共に、触媒を
降温する指令を出力し、ステップ１０９に進む。ここ
で、触媒を降温する手段としては、例えば燃料噴射時期
を進角したり、ＥＧＲ流量を減量すれば良い。

【００２２】そして、次のステップ１０９では、ステッ
プ１０６〜１０８で算出したＨＣ基準供給量にステップ
１０２で算出したＮＯｘ量を乗算してＨＣ供給量を算出
し、その指令値をＨＣ供給装置１７に出力してＮＯｘ触
媒１３に適量のＨＣを供給する。ここで、ＮＯｘ量を乗
算してＨＣ供給量を算出するのは、ＮＯｘ量が多いほど
ＨＣ供給量を多くして、ＮＯｘ浄化率を高めるためであ
る。

【００２３】以上説明した実施形態（１）では、ＮＯｘ
触媒１３内部の反応物質濃度を検出するためにＮＯｘセ
ンサを用いたが、ＮＯｘセンサに代えて、ＨＣセンサ
（炭化水素センサ）を用いても良い。この場合、ステッ
プ１０５で触媒活性状態を推定する時に、ＨＣ浄化率が
低い場合はＮＯｘ浄化温度ウインドの低温側であると判
断し、ＨＣ浄化率が高い（１００％に近い）場合は、ま
ずＮＯｘ浄化温度ウインドの中央又は高温側であると判
断し、次に、ＮＯｘ触媒１３内部の下流側部分のＨＣ濃
度変化の大きさに応じて触媒活性を決定する。つまり、
ＨＣ濃度変化が大きければＮＯｘ浄化温度ウインドの中
央であり、ＨＣ濃度変化が小さくなるほどＮＯｘ浄化温
度ウインドのより高温側であると判断する。

【００２４】このようにすれば、ＮＯｘ触媒１３内部、
特に下流側部分の反応物質濃度分布を検出することで、
ＮＯｘ触媒１３の活性状態を精度良く推定できる。これ
により、ＮＯｘ触媒１３に温度分布がある場合でも、最
適なＨＣ供給量制御や触媒温度制御が可能になり、ＮＯ
ｘ触媒１３全体の浄化能力を有効に活用でき、ＨＣ、Ｎ
Ｏｘの排出量を効果的に低減できる。

【００２５】尚、本実施形態（１）では、ＮＯｘセンサ
１４（ＨＣセンサ）をＮＯｘ触媒１３の中央付近に設置
したが、例えば、ＮＯｘ触媒１３内部の中央よりやや下
流側の部位にＮＯｘセンサ（ＨＣセンサ）を設置しても
良く、また、ＮＯｘ触媒１３の内部に２個以上のＮＯｘ
センサ（ＨＣセンサ）を設置しても良い。［実施形態（２）］上記実施形態（１）では、ＮＯｘ触
媒１３内部の下流側部分のＮＯｘ濃度をＮＯｘセンサ１
４，１５で検出して触媒活性状態（ＮＯｘ浄化状態）を
推定したが、図８乃至図１１に示す本発明の実施形態
（２）では、ＮＯｘ触媒１３の下流側に、ＮＯｘセンサ
１５に代えて、ＨＣセンサ３０を設置し、このＨＣセン
サ３０によってＮＯｘ触媒１３の出口のＨＣ濃度を検出
して触媒活性状態を推定する。これは、図１から図４で
説明したように、ＮＯｘ触媒１３の出口で丁度ＨＣが無
くなる状態が最もＮＯｘ浄化率が高くなることに着眼
し、この状態になるようＨＣ供給量や触媒温度を制御す
るものである。

【００２６】本実施形態（２）では、図８に示すよう
に、ＮＯｘ触媒１３の下流側にＨＣセンサ３０を設置す
ると共に、ＮＯｘ触媒１３の上流側に排気温度センサ３
１（触媒温度判定手段に相当）を設置し、上記実施形態
（１）で用いた触媒中央側のＮＯｘセンサ１４は設けら
れていない。これ以外のシステム構成は、前述した実施
形態（１）と同じである。

【００２７】以下、本実施形態（２）で実行する図９及
び図１０の触媒活性制御プログラムの処理内容を説明す
る。本プログラムも、所定時間毎又は所定クランク角毎
に実行される。本プログラムが起動されると、まずステ
ップ２０１で、アクセルセンサ２７、エンジン回転数セ
ンサ２８、エアーフローセンサ１６及びＨＣセンサ３０
から出力される各信号を読み込む。そして、次のステッ
プ２０２で、アクセルセンサ２７とエンジン回転数セン
サ２８の出力信号に基づいてディーゼルエンジン１１か
らのＮＯｘ排出量、つまり、触媒入ガスのＮＯｘ量を算
出する。

【００２８】この後、ステップ２０３で、排気温度セン
サ３１の出力信号（排気温度）を読み込んだ後、ステッ
プ２０４で、排気温度センサ３１の出力信号からおおよ
その触媒活性状態（触媒温度）を推定し、現在の触媒活
性状態がＮＯｘ浄化温度ウインドの低温側か、中央か、
高温側かを判別する。このステップ２０４で、ＮＯｘ浄
化温度ウインドの低温側と判断した場合は、ステップ２
０５に進み、ＨＣセンサ３０の出力（触媒出口のＨＣ濃
度）を所定範囲と比較する。ここで、所定範囲とは、供
給するＨＣ濃度に対して十分に小さな範囲であり、且
つ、ゼロより大きな値であり、例えば、供給するＨＣ濃
度の２％から１０％に設定するのが望ましい。これは、
所定範囲を２％以下にすると、図２において最高ＮＯｘ
浄化率となるＢ点かＮＯｘ浄化率が低下したＣ点かが判
別できないからである。また、所定範囲を１０％以上に
すると、ＮＯｘ触媒１３から排出される未燃のＨＣが多
くなるためである。

【００２９】このステップ２０５で、ＨＣセンサ３０の
出力（触媒出口のＨＣ濃度）が所定範囲より小さいと判
断した場合は、ＮＯｘ触媒１３の活性が高く、供給した
ＨＣがＮＯｘ触媒１３の途中までで全て消費され、ＮＯ
ｘ触媒１３内部の下流側部分にはＨＣが到達しない場合
に相当する。この場合は、ステップ２０６に進み、ＨＣ
基準供給量ＨＣ0 を増量補正し、ステップ２０８に進
む。

【００３０】これに対し、ステップ２０５で、ＨＣセン
サ３０の出力が所定範囲内と判断した場合は、供給した
ＨＣが丁度触媒出口で無くなる最もＮＯｘ浄化率が高い
場合に相当する。この場合は、現在のＨＣ基準供給量Ｈ
Ｃ0 を変更する必要がないので、そのままステップ２０
８に進む。また、ステップ２０５で、ＨＣセンサ３０の
出力が所定範囲より大きいと判断した場合は、ＮＯｘ触
媒１３の活性が低く、供給したＨＣの一部がＮＯｘ浄化
に使われず、未燃のまま排出されている場合に相当す
る。この場合は、ステップ２０７に進み、ＨＣ基準供給
量ＨＣ0 を減量補正し、ステップ２０８に進む。

【００３１】このステップ２０８では、ＨＣ供給量の指
令値をＨＣ基準供給量ＨＣ０を中心に所定量（±ＨＣ1
）変動させてＨＣ供給装置１７に出力すると共に、燃
料噴射時期の遅角補正又はＥＧＲ流量の増量補正により
排気温度（触媒温度）を昇温し、本プログラムを終了す
る。ここで、ＨＣ供給量を所定量変動させるのは、ＮＯ
ｘ触媒１３の出口でＨＣ濃度がゼロなのか、微量のＨＣ
があるのかを精度良く判別するためである。

【００３２】一方、前述したステップ２０４で、ＮＯｘ
浄化温度ウインドの中央と判断した場合には、図１０の
ステップ２０９に進み、ＨＣセンサ３０の出力（触媒出
口のＨＣ濃度）を所定範囲と比較する。このステップ２
０９で所定範囲より小さいと判断した場合は、ＮＯｘ触
媒１３の活性が高く、供給したＨＣがＮＯｘ触媒１３の
途中までで全て消費され、ＮＯｘ触媒１３内部の下流側
部分にはＨＣが到達しない場合に相当する。この場合に
は、ステップ２１０に進み、ＨＣ基準供給量ＨＣ0 を増
量補正し、ステップ２１２に進む。

【００３３】これに対し、ステップ２０９で、ＨＣセン
サ３０の出力が所定範囲内と判断した場合は、供給した
ＨＣが丁度触媒出口でなくなる最もＮＯｘ浄化率が高い
場合に相当し、そのままステップ２１２に進む。また、
ステップ２０９で、ＨＣセンサ３０の出力が所定範囲よ
り大きいと判断した場合は、ＮＯｘ触媒１３の活性が低
く、供給したＨＣの一部がＮＯｘ浄化に使われず、未燃
のまま排出されている場合に相当する。この場合は、ス
テップ２１１に進み、ＨＣ基準供給量ＨＣ0 を減量補正
し、ステップ２１２に進む。

【００３４】このステップ２１２では、ＨＣ供給量の指
令値をＨＣ基準供給量ＨＣ0 を中心に所定量（±ＨＣ1
）変動させてＨＣ供給装置１７に出力し、本プログラ
ムを終了する。一方、前述したステップ２０４で、ＮＯ
ｘ浄化温度ウインドの高温側と判断した場合は、ステッ
プ２１３に進み、排気温度センサ３１の出力信号とディ
ーゼルエンジン１１からのＮＯｘ排出量とに基づいてＨ
Ｃ基準供給量ＨＣ0 を算出する。この後、ステップ２１
４で、ＨＣ供給量の指令値をＨＣ基準供給量ＨＣ0 を中
心に所定量（±ＨＣ1 ）変動させてＨＣ供給装置１７に
出力すると共に、燃料噴射時期の進角補正又はＥＧＲ流
量の減量補正により排気温度（触媒温度）を降温し、本
プログラムを終了する。

【００３５】以上説明した触媒活性制御プログラムによ
る制御例を図１１に示すタイムチャートを用いて説明す
る。時間Ｆでは、ＨＣセンサ３０の出力（触媒出口のＨ
Ｃ濃度）が所定範囲内になるようＨＣ供給量が制御され
ている。この状態からエンジン負荷が低下して排気温度
が低下すると、触媒温度が徐々に低下して触媒活性も低
下していく。そのため、ＮＯｘ触媒１３の出口では未燃
のＨＣが増加し、ＨＣセンサ３０の出力は増加して所定
範囲を越える。このとき、触媒活性状態はＮＯｘ浄化温
度ウインドの低温側にあるので、ＨＣ供給量は減量補正
され、それに応じてＨＣセンサ３０の出力が低下し、時
間Ｇで所定範囲内になるようＨＣ供給量が制御される。

【００３６】次に、時間Ｈで、エンジン負荷が増加し
て、排気温度が昇温すると、触媒温度が徐々に昇温して
触媒活性も増加していく。そのため、ＮＯｘ触媒１３の
出口では未燃のＨＣがほぼゼロになり、ＨＣセンサ３０
の出力は低下して所定範囲を下回る。このとき、触媒活
性状態はＮＯｘ浄化温度ウインドの中央にあるので、Ｈ
Ｃ供給量は増量補正され、それに応じてＨＣセンサ３０
の出力が増加し、時間Ｉで所定範囲内になるようＨＣ供
給量が制御される。

【００３７】この後、時間Ｊで、エンジン負荷が増加し
て、排気温度が昇温すると、触媒温度が徐々に昇温して
触媒活性も増加していく。そのため、ＮＯｘ触媒１３の
出口では未燃のＨＣがほぼゼロになり、ＨＣセンサ３０
の出力は低下して所定範囲を下回る。この状態では、触
媒活性状態はＮＯｘ浄化温度ウインドの高温側にあるの
で、排気温度センサ３１の信号とディーゼルエンジン１
１からのＮＯｘ排出量とに基づいてＨＣ供給量が算出さ
れる。このとき、ＨＣセンサ３０の出力による制御は行
われず、ＨＣセンサ３０の出力は所定範囲以下になって
いる。

【００３８】以上説明した実施形態（２）では、ステッ
プ２０４で触媒活性状態を推定する手段として排気温度
センサ３１を用いたが、ＨＣセンサ３０の出力信号から
ＨＣ浄化率を算出して触媒活性状態を推定しても良い。
つまり、触媒入ガスのＨＣ濃度はエアーフローセンサ１
６の出力信号とＨＣ基準供給量ＨＣ0 とから算出でき、
触媒出ガスのＨＣ濃度はＨＣセンサ３０で検出できるた
め、それらの差からＨＣ浄化率を算出できる。ＨＣ浄化
率が算出できれば、図２に示すＮＯｘ触媒１３の浄化特
性から触媒活性状態がＮＯｘ浄化温度ウインドの低温側
か中央か高温側かを判別できる。

【００３９】以上により、ＮＯｘ触媒１３の出口のＨＣ
濃度をＨＣセンサ３０により検出し、このＨＣ濃度が所
定範囲になるようにＨＣ供給量や触媒温度を制御するこ
とによって、ＨＣ供給による燃費悪化を抑え、高いＮＯ
ｘ浄化浄化率を得ることができる。尚、本実施形態で
（２）では、ＨＣセンサ３０をＮＯｘ触媒１３の出口に
設置したが、これをＮＯｘ触媒１３内部の下流側部分
（出口に近い位置が好ましい）に設置しても良い。［実施形態（３）］次に、図１２乃至図１５を用いて本
発明の実施形態（３）を説明する。前記実施形態（２）
では、ＮＯｘ触媒１３の上流側に排気温度センサ３１を
設置し、ＮＯｘ触媒１３の下流側にＨＣセンサ３０を設
置して触媒活性状態を推定して、ＨＣ供給量と触媒温度
を制御するようにしたが、本実施形態（３）では、ＮＯ
ｘ触媒１３の上流側に排気温度センサ３１を設置し、Ｎ
Ｏｘ触媒１３の下流側にＮＯｘセンサ１５を設置し、触
媒活性状態（ＮＯｘ浄化状態）を推定して、その推定結
果に基づいてＮＯｘ触媒１３の劣化を判定する。

【００４０】ここで、触媒劣化の判定方法を図１４及び
図１５に説明する。図１４は劣化していないＮＯｘ触媒
のＨＣ供給濃度に対するＮＯｘ浄化特性を示し、図１５
は劣化したＮＯｘ触媒のＨＣ供給濃度に対するＮＯｘ浄
化特性を示す。ＮＯｘ浄化率は、触媒温度とＨＣ供給濃
度と触媒の劣化度合により変化する。図１４に示すよう
に、劣化していないＮＯｘ触媒は、ＮＯｘ浄化温度ウイ
ンド内であれば、ＨＣ供給濃度を増加させるとＮＯｘ浄
化率の変化が大きくなるのに対し、図１５に示すよう
に、劣化したＮＯｘ触媒は、ＮＯｘ浄化温度ウインド内
で、ＨＣ供給濃度を増加させてもＮＯｘ浄化率の変化が
小さい。従って、触媒活性がＮＯｘ浄化温度ウインド内
にある時に、触媒温度が変化しない短時間にＨＣ供給濃
度を変化させ、その時のＮＯｘ浄化率の変化からＮＯｘ
触媒の劣化度合を判定することができる。

【００４１】以下、本実施形態（３）で実行する図１３
の触媒活性制御プログラムの処理内容を説明する。本プ
ログラムも、所定時間毎又は所定クランク角毎に実行さ
れる。本プログラムが起動されると、まずステップ３０
１で、アクセルセンサ２７、エンジン回転数センサ２
８、エアーフローセンサ１６及び排気温度センサ３１か
ら出力される各信号を読み込む。この後、ステップ３０
２で、アクセルセンサ２７とエンジン回転数センサ２８
の出力信号に基づいてディーゼルエンジン１１から排出
されるＮＯｘ濃度、つまり、触媒入ガスのＮＯｘ濃度Ｓ
1 と、該触媒入ガスのＮＯｘ量を算出する。

【００４２】この後、ステップ３０３で、触媒入ガスの
ＮＯｘ量と排気温度センサ３１の出力信号に基づいてＨ
Ｃ供給量を算出し、その指令値をＨＣ供給装置１７に出
力する。次のステップ３０４で、ＮＯｘセンサ１５の出
力信号、つまり、触媒出口のＮＯｘ濃度Ｓ2 を読み込ん
だ後、ステップ３０５で、ＮＯｘ浄化率η1 を、ＮＯｘ浄化率η1 ＝（Ｓ1 −Ｓ2 ）／Ｓ1 の式で算出する。

【００４３】そして、次のステップ３０６で、排気温度
センサ３１の出力信号とＮＯｘ浄化率η1 とに基づいて
触媒活性状態を推定し、現在の触媒活性状態がＮＯｘ浄
化温度ウインド内であるか否かを判定する。このステッ
プ３０６で、現在の触媒活性状態がＮＯｘ浄化温度ウイ
ンド内と判断した場合は、ステップ３０７に進み、ＨＣ
供給量を増量補正し、その指令値をＨＣ供給装置１７に
出力する。この後、ステップ３０８で、再度、ＮＯｘセ
ンサ１５の出力信号Ｓ3 を読み込み、続くステップ３０
９で、ＨＣ供給量増量補正後のＮＯｘ浄化率η2 を、ＮＯｘ浄化率η2 ＝（Ｓ1 −Ｓ3 ）／Ｓ1 の式で算出する。

【００４４】この後、ステップ３１０で、ＨＣ供給量増
量補正前後でのＮＯｘ浄化率の変化量（η2 −η1 ）を
算出して、これを予め設定された劣化判定値と比較す
る。このステップ３１０で、ＮＯｘ浄化率の変化量が劣
化判定値未満になった場合は、ステップ３１１に進み、
触媒劣化と判定して警告クランプ等の警告手段（図示せ
ず）に警告信号を出力し、本プログラムを終了する。ま
た、ステップ３１０で、ＮＯｘ浄化率の変化量が劣化判
定値以上になった場合は、正常と判断し、本プログラム
を終了する。上記ステップ３１０の処理が特許請求の範
囲でいう触媒劣化判定手段としての役割を果たす。

【００４５】以上の処理により、触媒活性がＮＯｘ浄化
温度ウインド内にある時に、触媒温度が変化しない短時
間にＨＣ供給濃度を変化させ、その時のＮＯｘ浄化率の
変化から触媒の劣化度合を精度良く検出することができ
る。尚、本実施形態（３）では、触媒劣化判定のため
に、ＨＣ供給量を増量補正したが（ステップ３０７）、
ＨＣ供給量を減量補正しても良い。

【００４６】また、本実施形態（３）では、ＮＯｘセン
サ１５をＮＯｘ触媒１３の出口に設置したが、これをＮ
Ｏｘ触媒１３の内部の下流側部分に設置しても良い。ま
た、ＮＯｘセンサに代えて、ＨＣセンサを設置しても良
い。また、前記各実施形態では、ＮＯｘ触媒１３にＨＣ
を供給する手段として、排気管１２にＨＣ供給装置１７
を設けたが、これに代え、燃料噴射ノズル２１から燃料
を噴射した後の膨脹行程で、燃料噴射ノズル２１から後
噴射により少量の燃料を噴射し、これをＮＯｘ触媒１３
に供給するようにしても良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態（１）を示す排気浄化システ
ム全体の構成図

【図２】触媒温度とＨＣ浄化率及びＮＯｘ浄化率との関
係を示す特性図

【図３】図２のＡ点（ＮＯｘ浄化温度ウインドの低温
側）での触媒内部のＮＯｘとＨＣの濃度分布を示す図

【図４】図２のＢ点（ＮＯｘ浄化率が最大になるＮＯｘ
浄化温度ウインドの中央）での触媒内部のＮＯｘとＨＣ
の濃度分布を示す図

【図５】図２のＣ点（ＮＯｘ浄化温度ウインドの高温
側）での触媒内部のＮＯｘとＨＣの濃度分布を示す図

【図６】実施形態（１）の触媒活性制御ルーチンの処理
の流れを示すフローチャート

【図７】触媒活性状態とＮＯｘ浄化率、ＨＣ基準供給量
との関係を示す特性図

【図８】本発明の実施形態（２）を示す排気浄化システ
ム全体の構成図

【図９】実施形態（２）の触媒活性制御ルーチンの前半
部の処理の流れを示すフローチャート

【図１０】図９の続きのフローチャート

【図１１】実施形態（２）による制御例を説明するため
のタイムチャート

【図１２】本発明の実施形態（３）を示す排気浄化シス
テム全体の構成図

【図１３】実施形態（３）の触媒活性制御ルーチンの処
理の流れを示すフローチャート

【図１４】劣化していないＮＯｘ触媒のＨＣ供給濃度に
対するＮＯｘ浄化特性を示す図

【図１５】劣化したＮＯｘ触媒のＨＣ供給濃度に対する
ＮＯｘ浄化特性を示す図

【符号の説明】

１１ディーゼルエンジン（内燃機関）１２排気管（排ガス通路）１３触媒１４，１５ＮＯｘセンサ（触媒状態検出手段）１７ＨＣ供給装置（炭化水素供給手段）１８燃料噴射ポンプ２１燃料噴射ノズル２３ＥＧＲ配管２４ＥＧＲバルブ２５制御バルブ２６制御回路（制御手段，浄化状態推定手段，触媒温
度調整手段，触媒劣化判定手段）２７アクセルセンサ（運転状態検出手段２８エンジン回転数センサ（運転状態検出手段）３０ＨＣセンサ（触媒状態検出手段）３１排気温度センサ（触媒温度判定手段）。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＦ０２Ｄ 41/04 ３０５Ｆ０２Ｄ 41/04 ３０５Ａ (72)発明者勝呂肇愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内 (72)発明者大畑耕一愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】内燃機関の排気通路に配設され、排気中
の窒素酸化物を還元浄化する触媒と、前記触媒に対して窒素酸化物の還元剤として炭化水素を
供給する炭化水素供給手段と、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段
と、前記触媒の内部の反応物質濃度分布を反映した情報を検
出する触媒状態検出手段と、前記触媒状態検出手段の検出情報に基づいて前記触媒の
窒素酸化物浄化状態を推定する浄化状態推定手段と、前記浄化状態推定手段により推定した窒素酸化物浄化状
態と前記運転状態検出手段の検出情報とに基づいて前記
触媒への炭化水素供給量を設定して前記炭化水素供給手
段を制御する制御手段とを備えていることを特徴とする
内燃機関の排気浄化装置。
【請求項２】前記浄化状態推定手段によって推定した
窒素酸化物浄化状態に基づいて前記触媒の温度を窒素酸
化物浄化率を高める方向に調整する触媒温度調整手段を
備えてい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。