JP2009138624A - 内燃機関の異常検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯ_x選択還元触媒の劣化によってＮＯ_x浄化率が低下したのか、尿素水の異常によってＮＯ_x浄化率が低下したのかを判別する。
【解決手段】ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したときにはＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｂ１の如く触媒温度ＴＣの上昇に伴ない増大し、尿素水の供給量や質に異常があるときにはＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｃの如く一律に低下する。ＮＯ_x浄化率ＮＲを各触媒温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃で検出し、触媒温度の上昇に伴ないＮＯ_x浄化率ＮＲが上昇すれば触媒劣化が生じており、変化しなければ尿素水の供給量や質に異常があると判断される。
【選択図】図３

Description

本発明は内燃機関の異常検出装置に関する。

機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒に尿素水を供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関において、ＮＯ_x選択還元触媒下流の機関排気通路内に尿素水から生成されるアンモニア等を検出可能なセンサを配置し、尿素水の供給量を変化させたときにセンサの出力信号の変化が予測される変化と異なるときには欠陥が存在すると判断するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
特開２００４−１７６７１９号公報

しかしながら尿素水の供給量又は質が正規の値からずれた場合でもセンサの出力信号の変化は予測された変化とは異なり、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化した場合でもセンサの出力信号は予測された変化とは異なるのでこのような方法では尿素水の供給量又は質が正規の値からずれたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒が劣化したのかを判断できないという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内に配置されたＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにした内燃機関の異常検出装置において、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒の温度が上昇するにつれて上昇する変化パターンに沿って変化し、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒の温度が上昇しても上昇しない変化パターンに沿って変化し、ＮＯ_x選択還元触媒の異なる複数の温度におけるＮＯ_x浄化率を検出してＮＯ_x浄化率がいずれの変化パターンに沿って変化しているかを判断し、それによりＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたのかを判定するようにしている。

ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを確実に判断することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_x選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_x選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。

ＮＯ_x選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内に配置された分散板１４ａに向けて噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１５において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。ＮＯ_x選択還元触媒１５の下流側にはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度を検出するための温度センサ２８が配置され、酸化触媒１６の下流には排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するためのＮＯ_xセンサ２９が配置される。これらの温度センサ２８、ＮＯ_xセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。

一方、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ₂はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ₂に転換されるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯ_x選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。一方、ＮＯ_x選択還元触媒１５にＨＣが吸着するとアンモニアの吸着量が減少するためにＮＯ_x浄化率が低下する。従って酸化触媒１２によりＨＣを酸化することによってＮＯ_x浄化率が低下するのが阻止される。

パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。また、ＮＯ_x選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_x浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成されている。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯ_x選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

さて、図１に示される実施例ではＮＯ_x選択還元触媒１５は２００℃程度で活性化し、ＮＯ_x選択還元触媒１５が活性化した後は排気ガス中に含まれるＮＯ_xを還元するのに必要な量の尿素水が尿素水供給弁１７から供給される。図２（Ａ）はＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化しておらずしかも尿素水の供給量が排気ガス中のＮＯ_xを還元するのに必要な正規の値に維持されていると共に尿素水の質が予め定められている正規の質に維持されているときのＮＯ_x浄化率ＮＲとＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣとの関係を示している。

図２（Ａ）からわかるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが活性温度まで上昇するとＮＯ_x浄化率ＮＲは急速にピーク値まで上昇し、ＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが更に上昇するとＮＯ_x浄化率ＮＲはピーク値に維持される。ところで触媒温度ＴＣが比較的低いときには尿素水供給弁１７から供給された尿素水はアンモニアの形で一旦ＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着され、排気ガス中のＮＯ_xはＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されたアンモニアと反応して還元せしめられる。

一方、触媒温度ＴＣが高くなるとアンモニアはＮＯ_x選択還元触媒１５に吸着されなくなり、このとき排気ガス中のＮＯ_xは尿素水から生成されたアンモニアと気相で反応して還元せしめられるようになる。図２（Ｂ）はこのことを模式的に表わしている。即ち、図２（Ｂ）に示されるように触媒温度ＴＣが高くなるにつれて吸着アンモニアによるＮＯ_xの還元反応の割合が減少し、ＮＯ_xとアンモニアの気相反応の割合が増大する。

ところで大気中に排出されるＮＯ_x排出量に対しては国又は地域毎に異なる排出基準が設定されている。この場合、予め定められたモードで車両が運転されたときのＮＯ_xの総排出量が通常ＮＯ_x排出量の判断基準として用いられ、車両が予め定められた期間使用された後のＮＯ_x排出量が予め定められた基準量以下となるように排出基準が定められている。

更に、この排出基準に加えてＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えてはならないという排出規制が設定されている。この規制値は国或いは地域によって異なるがＮＯ_x排出基準量の２倍或いは３倍等であり、ＮＯ_x排出量がこの規制値を越えた場合には異常箇所を示す警告灯を点灯させることを義務付けている国もある。

本発明ではＮＯ_x排出量が異常に増大する原因としてＮＯ_x選択還元触媒１５の劣化および尿素水の供給量又は質の変化を取り上げ、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒１５に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにしている。

次にこのことについて図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）を参照しつつ説明する。図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）は規制値がＮＯ_x排出基準量の２倍である場合を例にとって示しており、これら図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）において破線ＡはＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量となるときのＮＯ_x浄化率ＮＲを示している。即ち、別の言い方をするとＮＯ_x浄化率ＮＲが図２（Ｃ）、図３（Ａ），（Ｂ）において破線Ａで示すように触媒温度ＴＣに対して変化する状態のときに車両が予め定められたモードで運転されたとするとこのときのＮＯ_x排出量はＮＯ_x排出基準量となる。なお、以下破線Ａで示すＮＯ_x浄化率ＮＲを基準ＮＯ_x浄化率Ａと称する。

さて、図２（Ｃ）には、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍である規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲが実線Ｂ１で示されており、ＮＯ_x選択還元触媒１５の触媒作用が完全に失なわれたときのＮＯ_x浄化率ＮＲが実線Ｂ２で示されている。ここでＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍になったということは基準ＮＯ_x浄化率Ａの場合に比べてＮＯ_x浄化率が５０パーセントに低下したことを意味しており、従って実線Ｂ１は基準ＮＯ_x浄化率Ａに対してＮＯ_x浄化率ＮＲが５０パーセントの場合を示していると言える。

ところでＮＯ_x選択還元触媒１５へのアンモニアの吸着作用および吸着アンモニアによるＮＯ_xの還元作用は触媒の活性に支配される。従って図２（Ｂ）に示されるように吸着アンモニアによるＮＯ_xの還元作用が支配的となるとき、即ち触媒温度ＴＣが比較的低いときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化すると図２（Ｃ）において実線Ｂ１，Ｂ２で示されるようにＮＯ_x浄化率ＮＲが大巾に低下する。

これに対し、ＮＯ_xの還元作用が気相で行われるときにはＮＯ_xの還元作用は触媒の活性にほとんど支配されない。従って図２（Ｂ）に示されるように気相におけるＮＯ_xの還元作用が支配的となるとき、即ち触媒温度ＴＣが比較的高いときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化しても図２（Ｃ）において実線Ｂ１，Ｂ２で示されるようにＮＯ_x浄化率ＮＲはさほど低下しない。

即ち、実線Ｂ１に示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化してＮＯ_x浄化率が５０パーセント低下したときにはＮＯ_x浄化率ＮＲは触媒温度ＴＣが上昇するにつれて高くなり、４５０°以上ではＮＯ_x浄化率ＮＲは基準ＮＯ_x浄化率Ａに近接する。一方、実線Ｂ２に示されるようにＮＯ_x選択還元触媒１５の触媒作用が完全に失なわれたときでもＮＯ_x浄化率ＮＲは触媒温度ＴＣが上昇するにつれて高くなり、５００℃以上ではＮＯ_x浄化率ＮＲが５０パーセント以上となる。

次に尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x浄化率ＮＲが低下する場合について説明する。尿素水の供給量は機関の運転状態に応じて予め定められているが例えば尿素水供給弁１７のノズル口の目詰りにより供給量が予め定められている正規の値に対して減少するとＮＯ_x浄化率が低下する。また、正規の尿素水ではなく品質の粗悪なアンモニア濃度の低い尿素水が使用されたり、或いは尿素水タンク２０内に他の液体、例えば水が加えられたりするとＮＯ_x浄化率が低下する。

図３（Ａ）には、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍である規制値に達したときのＮＯ_x浄化率ＮＲが実線Ｃで示されている。前述したようにＮＯ_x排出量がＮＯ_x排出基準量の２倍になったということは基準ＮＯ_x浄化率Ａの場合に比べてＮＯ_x浄化率が５０パーセントに低下したことを意味しており、従って実線Ｃは基準ＮＯ_x浄化率Ａに対してＮＯ_x浄化率ＮＲが５０パーセントの場合を示していると言える。

尿素水供給弁１７のノズル口の目詰りや尿素水の濃度低下が生ずると尿素水の供給量にかかわらずにＮＯ_xの還元に必要なアンモニア量が一定の割合で一律に低下し、従って図３において実線Ｃに示されるようにＮＯ_x浄化率ＮＲは基準ＮＯ_x浄化率Ａに対して触媒温度ＴＣにかかわらずに一定の割合で一律に低下することになる。

図２（Ｃ）と図３（Ａ）とを比較するとわかるようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したときと、尿素水の供給量又は質に異常が生じたときとでは触媒温度ＴＣに対するＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンが異なる。従ってこのＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンの差異を利用することによってＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したのか、或いは尿素水の供給量又は質に異常が生じたのかを判断できることになる。

そこで本発明ではこのＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンの差異を利用して、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いはＮＯ_x選択還元触媒１５に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにしている。次にこのことについて図２（Ｃ）および図３（Ａ）を統合した図３（Ｂ）を参照しつつ説明する。

図３（Ｂ）は代表的な例として、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x浄化率ＮＲが基準ＮＯ_x浄化率Ａに対して５０パーセント以上低下したか否か、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x浄化率ＮＲが基準ＮＯ_x浄化率Ａに対して５０パーセント以上低下したか否かを判断するようにした場合を示している。

なお、図３（Ｂ）に基づいてこのような判断をする場合、ＮＯ_x選択還元触媒１５が少し劣化し、尿素水の供給量又は質が多少異常になることは別として、５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下をもたらすようなＮＯ_x選択還元触媒１５の劣化および５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下をもたらすような尿素水の供給量又は質の異常は同時に発生しないことを前提としている。

まず初めにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合について説明すると、この場合には図３（Ｂ）に示されるように各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｂ１と曲線Ｂ２との間となる。即ち、図３（Ｂ）から推測しうるようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合にはＮＯ_x浄化率が何パーセント低下しようともＮＯ_x浄化率ＮＲはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが上昇するにつれて上昇する変化パターンに沿って変化する。

これに対し、尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じる場合には各触媒温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲは曲線Ｃ以下となる。この場合には図３（Ｂ）から推測しうるようにＮＯ_x浄化率が何パーセント低下しようともＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが上昇しても上昇しない変化パターンに沿って変化する。もう少し具体的に言うとＮＯ_x浄化率ＮＲはＮＯ_x選択還元触媒１５が活性化していればＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣにかかわらずにほぼ一定となる。

従ってＮＯ_x浄化率ＮＲが触媒温度ＴＣの上昇に伴ないどのような変化パターンに沿って変化しているかが把握できればＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じたのか、或いは尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じたのかを判別できることになる。

この場合、異なる複数の触媒温度ＴＣにおいてＮＯ_x浄化率ＮＲを検出すればＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したときの変化パターンに沿ってＮＯ_x浄化率ＮＲが変化しているのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれたときの変化パターンに沿ってＮＯ_x浄化率ＮＲが変化しているのかがわかる。そこで本発明ではＮＯ_x選択還元触媒１５の異なる複数の温度におけるＮＯ_x浄化率ＮＲを検出し、これらのＮＯ_x浄化率ＮＲからＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じているのか、或いは尿素水の供給量又は質が異常になることによって５０パーセント以上のＮＯ_x浄化率の低下が生じているのかを判別するようにしている。

以上の説明からわかるように一般的に表現すると、ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはＮＯ_x浄化率ＮＲはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが上昇するにつれて上昇する変化パターンに沿って変化し、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたときにはＮＯ_x浄化率ＮＲはＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが上昇しても上昇しない変化パターンに沿って変化する。

従って本発明では、ＮＯ_x選択還元触媒１５の異なる複数の温度ＴＣにおけるＮＯ_x浄化率ＮＲを検出してＮＯ_x浄化率ＮＲがいずれの変化パターンに沿って変化しているかを判断し、それによりＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたのかを判定するようにしている。

次にＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンの把握のしかたについて図３（Ｂ）を参照しつつ説明する。
前述したようにＮＯ_x排出量の排出基準としてＮＯ_x排出基準量が設定されており、本発明による実施例ではＮＯ_x排出量がこのＮＯ_x排出基準量であるときの基準ＮＯ_x浄化率ＡがＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣの関数として予めＲＯＭ３２内に記憶されている。

本発明ではＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンを把握するために、異なる複数の温度において検出されたＮＯ_x浄化率ＮＲから各温度における基準ＮＯ_x浄化率Ａに対するＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合が求められ、これらＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合の変化からＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたのかを判定するようにしている。

図３（Ｂ）にはＮＯ_x浄化率ＮＲが触媒温度ＴＣに対し曲線Ｂ１で示されるように変化する場合の異なる複数の触媒温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₁，ΔＮＲ₂，ΔＮＲ₃が示されている。なお、図３（Ｂ）に示される例では異なる三つの触媒温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃においてＮＯ_x浄化率ＮＲを検出するようにしているが四つ以上の触媒温度ＴＣにおいてＮＯ_x浄化率ＮＲを検出するようにしてもよいし、場合によって二つの触媒温度ＴＣのみにおいてＮＯ_x浄化率ＮＲを検出するようにしてもよい。

このようなＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲを用いると図３（Ｂ）から、異なる複数の温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲが温度ＴＣが高くなるほど減少しかつＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲが予め定められた割合以上であるときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたと判断でき、異なる複数の温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲが温度ＴＣにかかわらずにほぼ一定でありかつＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲが予め定められた割合以上であるときには尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたと判断できることがわかる。

なお、本発明による実施例では上述した如くＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲが予め定められた割合以上であるか否かを判断する際には、異なる複数の温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲの平均値が予め定められた割合以上であるか否かが判断される。

また、図３（Ｂ）において曲線Ｂ２で示されるＮＯ_x浄化率ＮＲの変化パターンをも確実に捕らえることができるように本発明による実施例では、異なる複数の温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃は、ＮＯ_x選択還元触媒１５の触媒作用が完全に失なわれたときにＮＯ_x選択還元触媒１５の温度上昇に伴ないＮＯ_x浄化率ＮＲの上昇するＮＯ_x選択還元触媒１５の温度領域内に設定されている。

なお、各触媒温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率ＮＲの検出は触媒温度ＴＣが運転状態の変化により各温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃になるのを待って行われる。しかしながら触媒温度ＴＣがこれら全ての温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃まで上昇しない場合もあり、この場合には全ての温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率を検出できないことになる。

そこで本発明による実施例ではＮＯ_x選択還元触媒１５の温度ＴＣが予め定められた期間中に異なる複数の温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃の全ての温度を越えなかったときには異なる複数の温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃のうちの最大の温度ＴＣ₃を越えるまでＮＯ_x選択還元触媒１５が昇温せしめられる。

また、本発明による実施例ではＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_x浄化率ＮＲを検出する必要がある。そのために機関から単位時間当り排出されるＮＯ_x量ＮＯＸＡが要求トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図４に示すマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されている。また、ＮＯ_xセンサ２９により検出されたＮＯ_x濃度と排気ガス量、即ち吸入空気量とからＮＯ_x選択還元触媒１５からの単位時間当りの排出ＮＯ_x量が求まる。従って図４に示されるＮＯ_x量ＮＯＸＡとＮＯ_xセンサ２９の検出値からＮＯ_x浄化率ＮＲが求まることになる。

次に図５および図６を参照しつつ異常検出ルーチンについて説明する。なお、このルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図５を参照するとまず初めにステップ５０において例えば車両が運転される毎に一回行われる異常検出が完了したことを示している完了フラグがセットされているか否かが判別される。完了フラグがセットされているときには処理サイクルを完了し、完了フラグがセットされていないときにはステップ５１に進む。

ステップ５１ではΣＭに一定時間ΔＭが加算され、従ってΣＭは機関の運転が開始されてからの経過時間を表わしている。なお、この場合、ΔＭとしては一定時間の代りに吸入空気量、燃料噴射量或いは車速を用いることもできる。次いでステップ５２では経過時間ΣＭが予め定められた時間ＭＸを越えたか否かが判別される。ΣＭ≦ＭＸのときにはステップ５６にジャンプする。

これに対し、触媒温度ＴＣがＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃の全ての温度まで上昇せず、ステップ５２においてΣＭ＞ＭＸになったと判断されたときにはステップ５３に進んでＮＯ_x選択還元触媒１５の昇温作用が行われる。この昇温作用は例えば燃料噴射時期を遅らせて排気ガス温を上昇させることにより、或いは酸化触媒１２の上流に追加の燃料を添加してこの燃料による酸化反応熱を発生させることにより行われる。昇温作用が開始された後、ステップ５４においてＴＣ＞ＴＣ₃になったと判断されたときにはステップ５５に進んで昇温作用が停止される。

ステップ５６では触媒温度ＴＣが図３（Ｂ）に示される温度ＴＣ₁になったか否かが判別される。触媒温度ＴＣがＴＣ₁でないときにはステップ５９に進む。これに対し、触媒温度ＴＣがＴＣ₁になったときにはステップ５７に進んで図４に示されるマップおよびＮＯ_xセンサ２９の出力信号からＮＯ_x浄化率ＮＲが算出される。次いでステップ５８ではＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₁（＝（基準ＮＯ_x浄化率Ａ−ＮＯ_x浄化率ＮＲ）／基準ＮＯ_x浄化率Ａ）が算出され、次いでステップ５９に進む。

ステップ５９では触媒温度ＴＣが図３（Ｂ）に示される温度ＴＣ₂になったか否かが判別される。触媒温度ＴＣがＴＣ₂でないときにはステップ６２に進む。これに対し、触媒温度ＴＣがＴＣ₂になったときにはステップ６０に進んで図４に示されるマップおよびＮＯ_xセンサ２９の出力信号からＮＯ_x浄化率ＮＲが算出される。次いでステップ６１ではＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₂が算出され、次いでステップ６２に進む。

ステップ６２では触媒温度ＴＣが図３（Ｂ）に示される温度ＴＣ₃になったか否かが判別される。触媒温度ＴＣがＴＣ₃でないときには処理サイクルを完了する。これに対し、触媒温度ＴＣがＴＣ₃になったときにはステップ６３に進んで図４に示されるマップおよびＮＯ_xセンサ２９の出力信号からＮＯ_x浄化率ＮＲが算出される。次いでステップ６４ではＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₃が算出され、次いでステップ６５に進む。

ステップ６５ではＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したときの変化パターンに沿ってＮＯ_x浄化率ＮＲが変化しているか否かが判別される。即ち、ステップ６５ではまず初めにＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₂がＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₁から一定値αを減算した値（ΔＮＲ₁−α）よりも小さいか否か、即ち触媒温度ＴＣがＴＣ₁からＴＣ₂に上昇したときにＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲが減少したか否かが判別される。ΔＮＲ₂≧ΔＮＲ₁−αのときにはステップ７０に進む。これに対し、ΔＮＲ₂＜ΔＮＲ₁−αのときには、即ち触媒温度ＴＣがＴＣ₁からＴＣ₂に上昇したときにＮＯ_x浄化率ＮＲが上昇したときにはステップ６６に進む。

ステップ６６ではＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₃がＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₂から一定値βを減算した値（ΔＮＲ₂−β）よりも小さいか否か、即ち触媒温度ＴＣがＴＣ₂からＴＣ₃に上昇したときにＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲが減少したか否かが判別される。ΔＮＲ₂≧ΔＮＲ₂−βのときにはステップ７０に進む。これに対し、ΔＮＲ₂＜ΔＮＲ₂−βのときには、即ち触媒温度ＴＣがＴＣ₂からＴＣ₃に上昇したときにＮＯ_x浄化率ＮＲが上昇したときにはステップ６７に進む。

ステップ６７では各触媒温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₁，ΔＮＲ₂，ΔＮＲ₃の平均値が算出される。次いでステップ６８ではＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合の平均値が予め定められた割合Ｘ₁よりも大きいか否かが判別される。低下割合の平均値がＸ₁よりも小さいときにはステップ７０に進む。これに対し、低下割合の平均値がＸ₁よりも大きいときにはステップ６９に進んでＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化することによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたことを示す警報が発せられる。次いでステップ７５に進んで完了フラグがセットされる。

一方、ステップ７０では尿素水が異常になったときの変化パターンに沿ってＮＯ_x浄化率ＮＲが変化しているか否かが判別される。即ち、ステップ７０ではまず初めにＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₂がＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₁とほぼ等しいか否か、例えばｄを極めて小さな値とするとΔＮＲ₁−ｄ＜ΔＮＲ₂＜ΔＮＲ₁＋ｄが成立しているか否かが判別される。ΔＮＲ₂がΔＮＲ₁とほぼ等しくないときにはステップ７５にジャンプし、完了フラグがセットされる。これに対しΔＮＲ₂がΔＮＲ₁とほぼ等しいときには、即ち触媒温度ＴＣがＴＣ₁からＴＣ₂に上昇したときにＮＯ_x浄化率ＮＲがほとんど変化しなかったときにはステップ７１に進む。

ステップ７１ではＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₃がＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₂とほぼ等しいか否か、例えばｄを極めて小さな値とするとΔＮＲ₂−ｄ＜ΔＮＲ₃＜ΔＮＲ₂＋ｄが成立しているか否かが判別される。ΔＮＲ₃がΔＮＲ₂とほぼ等しくないときにはステップ７５にジャンプし、完了フラグがセットされる。これに対しΔＮＲ₃がΔＮＲ₂とほぼ等しいときには、即ち触媒温度ＴＣがＴＣ₂からＴＣ₃に上昇したときにＮＯ_x浄化率ＮＲがほとんど変化しなかったときにはステップ７２に進む。

ステップ７２では各触媒温度ＴＣ₁，ＴＣ₂，ＴＣ₃におけるＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合ΔＮＲ₁，ΔＮＲ₂，ΔＮＲ₃の平均値が算出される。次いでステップ７３ではＮＯ_x浄化率ＮＲの低下割合の平均値が予め定められた割合Ｘ₂よりも大きいか否かが判別される。低下割合の平均値がＸ₂よりも小さいときにはステップ７５に進んで完了フラグがセットされる。これに対し、低下割合の平均値がＸ₂よりも大きいときにはステップ７４に進んで尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が規制値を越えたことを示す警報が発せられる。次いでステップ７５において完了フラグがセットされる。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯ_x浄化率ＮＲと触媒温度ＴＣとの関係等を示す図である。 ＮＯ_x浄化率ＮＲと触媒温度ＴＣとの関係を示す図である。 機関からの排出ＮＯ_x量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 異常を検出するためのフローチャートである。 異常を検出するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
７ 排気ターボチャージャ
１２ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_x選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁

Claims (7)

1. 機関排気通路内に配置されたＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのか、或いは該ＮＯ_x選択還元触媒に供給される尿素水の量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が予め定められた規制値を越えたのかを判断するようにした内燃機関の異常検出装置において、ＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにはＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒の温度が上昇するにつれて上昇する変化パターンに沿って変化し、尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにはＮＯ_x浄化率はＮＯ_x選択還元触媒の温度が上昇しても上昇しない変化パターンに沿って変化し、ＮＯ_x選択還元触媒の異なる複数の温度におけるＮＯ_x浄化率を検出してＮＯ_x浄化率が上記いずれの変化パターンに沿って変化しているかを判断し、それによりＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたのかを判定するようにした内燃機関の異常検出装置。
2. ＮＯ_x排出量の排出基準としてＮＯ_x排出基準量が設定されており、ＮＯ_x排出量が該ＮＯ_x排出基準量であるときの基準ＮＯ_x浄化率がＮＯ_x選択還元触媒の温度の関数として予め記憶されており、上記異なる複数の温度において検出されたＮＯ_x浄化率から各温度における上記基準ＮＯ_x浄化率に対するＮＯ_x浄化率の低下割合を求め、該ＮＯ_x浄化率の低下割合の変化からＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたのか、或いは尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたのかを判定するようにした請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
3. 尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたときにはＮＯ_x選択還元触媒の温度にかかわらずにＮＯ_x浄化率は上記基準ＮＯ_x浄化率に対して一定の割合で一律に低下し、上記異なる複数の温度における上記ＮＯ_x浄化率の低下割合が温度が高くなるほど減少しかつ該ＮＯ_x浄化率の低下割合が予め定められた割合以上であるときにはＮＯ_x選択還元触媒が劣化することによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたと判断され、上記異なる複数の温度における上記ＮＯ_x浄化率の低下割合が温度にかかわらずにほぼ一定でありかつ該ＮＯ_x浄化率の低下割合が予め定められた割合以上であるときには尿素水の供給量又は質が正規の値からずれることによってＮＯ_x排出量が上記規制値を越えたと判断される請求項２に記載の内燃機関の異常検出装置。
4. 上記ＮＯ_x浄化率の低下割合が予め定められた割合以上であるか否かを判断する際には、上記異なる複数の温度におけるＮＯ_x浄化率の低下割合の平均値が予め定められた割合以上であるか否かが判断される請求項３に記載の内燃機関の異常検出装置。
5. 上記異なる複数の温度は、ＮＯ_x選択還元触媒の触媒作用が完全に失なわれたときにＮＯ_x選択還元触媒の温度上昇に伴ないＮＯ_x浄化率の上昇するＮＯ_x選択還元触媒の温度領域内に設定されている請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
6. ＮＯ_x選択還元触媒の温度が予め定められた期間中に上記異なる複数の温度の全ての温度を越えなかったときには該異なる複数の温度のうちの最大の温度を越えるまでＮＯ_x選択還元触媒が昇温せしめられる請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。
7. ＮＯ_x浄化率を求めるためにＮＯ_x選択還元触媒下流の機関排気通路内にＮＯ_xセンサを配置した請求項１に記載の内燃機関の異常検出装置。

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