JP2009156159A - 排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガス浄化システムを構成する要素各々の異常をも判定可能な排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置を提供する。
【解決手段】内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒３４、その下流のＮＨ₃酸化触媒３６及び尿素水供給手段４０を有する排気ガス浄化システムにおける異常部位の判定装置であって、ＮＨ₃酸化触媒の下流に配置されたＮＯｘセンサ５２と、異常判定モード時に、出ガスのＮＯｘ濃度を所定量増大させるＮＯｘ濃度増大手段と、ＮＯｘ濃度が所定量増大されたとき、ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第１の出力値変化検出手段と、尿素水供給量を所定量増量制御する尿素水供給量増量制御手段と、尿素水供給量が所定量増量制御されたとき、ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第２の出力値変化検出手段と、ＮＯｘセンサの出力値の変化に基づき、少なくとも前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒の正常又は異常を判定する第１の判定手段とを備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置、特に選択還元型ＮＯｘ触媒及びアンモニア酸化触媒を備え、それらの上流の排気通路に尿素水を供給する尿素水供給手段を有する排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置に関する。

一般に、ディーゼルエンジン等の内燃機関の排気系に配置される排気浄化装置として、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型ＮＯｘ触媒が知られている。これは、選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して、該還元剤を触媒上にて排出ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものである。

そして、自動車の場合には、還元剤としてのアンモニアそのものを搭載して走行することに関して安全確保が困難であることから、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが提案されている。即ち、尿素水を選択還元型ＮＯｘ触媒の上流側で排出ガス中に添加すれば、該尿素水が排出ガス中でアンモニアと炭酸ガスに熱分解され、排出ガス中のＮＯxが選択還元型ＮＯｘ触媒上でアンモニアにより良好に還元浄化されるからである。

ところで、このような尿素水を還元剤としてＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置にあっては、熱や排ガス成分により選択還元型ＮＯｘ触媒が経時的に劣化して、ＮＯx低減性能が徐々に低下してくるため、選択還元型ＮＯｘ触媒の初期性能を基準としたまま尿素水の添加量制御を継続していると、運転時間が長くなるにつれて、添加した尿素水に余剰分が生じてしまい、ＮＯxの還元浄化反応に使用されないまま選択還元型ＮＯｘ触媒の後方へ擦り抜けてしまうアンモニアが生じる虞れがあることから、この対策として、選択還元型ＮＯｘ触媒の後流に使用されなかったアンモニアを酸化処理するアンモニア酸化触媒を設けている。

そして、このような選択還元型ＮＯｘ触媒とアンモニア酸化触媒とを備えた排気ガス後処理システムに還元剤として尿素水を供給するようにした排気ガス後処理システムにおいて、尿素水の供給量を変更し、排気ガス系統に配置されたセンサの信号が所期のように変化しない場合に欠陥が存在すると判定するようにした排気ガス後処理システムの監視方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１７６７１９号公報

ところで、特許文献１に記載の排気ガス後処理システムの監視方法においては、単に、尿素水の供給量を変更し、排気ガス系統に配置されたセンサの信号が所期のように変化するか否かにより判定するようにしていることから、排気ガス後処理システム全体として欠陥が存在するか否か、すなわち、システム全体としての異常判定は可能であるが、排気ガス後処理システムを構成する各要素のいずれが異常状態にあるのかの判定は不可能であり、その点改善の余地があるものであった。

そこで、本発明の目的は、排気ガス浄化システムを構成する要素各々の異常をも判定可能な排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係る排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置の一形態は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒、その下流のＮＨ₃酸化触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒の上流の排気通路に尿素水を供給する尿素水供給手段を有する排気ガス浄化システムにおける異常部位の判定装置であって、前記ＮＨ₃酸化触媒の下流に配置されたＮＯｘセンサと、前記内燃機関の所定の運転状態における異常判定モード時に、前記内燃機関から排出される出ガスのＮＯｘ濃度を所定量増大させるＮＯｘ濃度増大手段と、該ＮＯｘ濃度増大手段によってＮＯｘ濃度が所定量増大されたとき、前記ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第１の出力値変化検出手段と、該第１の出力値変化検出手段による出力値の変化の検出に対応して前記尿素水供給手段からの尿素水供給量を所定量増量制御する尿素水供給量増量制御手段と、該尿素水供給量増量制御手段によってそれぞれ尿素水供給量が所定量増量制御されたとき、前記ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第２の出力値変化検出手段と、該第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化に基づき、少なくとも前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒の正常又は異常を判定する第１の判定手段と、を備えることを特徴とする。

上記本発明に係る排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置の一形態によれば、内燃機関の所定の運転状態における異常判定モード時に、ＮＯｘ濃度増大手段により内燃機関から排出される出ガスのＮＯｘ濃度が所定量増大され、第１の出力値変化検出手段によってＮＨ₃酸化触媒の下流に配置されたＮＯｘセンサの出力値の変化が検出される。

このとき、第１の出力値変化検出手段によるＮＯｘセンサの出力値が変化しない場合には、ＮＯｘ濃度の増大にもかかわらず、ＮＯｘ又はＮＨ₃が増大していないことを意味し、少なくとも選択還元型ＮＯｘ触媒は正常であると推定される。そして、この出力値の変化の検出に対応して尿素水供給量増量制御手段により、尿素水供給手段からの尿素水供給量が所定量増量制御され、そのときにそれぞれ第２の出力値変化検出手段により前記ＮＯｘセンサの出力値の変化が検出される。そして、第１の判定手段によって、第２の出力値変化検出手段により検出されたＮＯｘセンサの出力値の変化に基づいて、少なくとも前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒の正常又は異常が判定される。すなわち、ＮＯｘセンサの出力値が変化しない場合には、尿素水供給量の増量にもかかわらずＮＯｘ及びＮＨ₃が増大していない、換言すると、選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒が正常に機能していることを意味するので、選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒が共に正常であると判定される。一方、ＮＯｘセンサの出力値が変化した場合には、尿素水供給量の増量に伴うＮＨ₃の増大があったが、これが処理されなかったことを意味するので、選択還元型ＮＯｘ触媒は正常であるがＮＨ₃酸化触媒が異常（故障）と判定される。

また、上述の第１の出力値変化検出手段によるＮＯｘセンサの出力値が変化した場合には、ＮＯｘ濃度の増大に伴い、ＮＯｘが増大したことを意味し、少なくとも選択還元型ＮＯｘ触媒は正常に機能しておらず異常であると推定される。そして、この出力値の変化の検出に対応して尿素水供給量増量制御手段により、尿素水供給手段からの尿素水供給量が所定量増量制御され、そのときにそれぞれ第２の出力値変化検出手段により前記ＮＯｘセンサの出力値の変化が検出される。この第２の出力値変化検出手段によるＮＯｘセンサの出力値が変化した場合には、尿素水供給量の増量に伴うＮＨ₃の増大があったが、これが処理されなかったことを意味するので、第１の判定手段によって、選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒が共に異常（故障）と判定される。

したがって、この一形態によれば、少なくとも選択還元型ＮＯｘ触媒又はＮＨ₃酸化触媒の正常又は異常かを判定することができる。

ここで、上記一形態は、前記第１の出力値変化検出手段による出力値に変化があり、且つ前記第２の出力値変化検出手段による出力値に変化がないとき、前記尿素水供給手段からの尿素水供給量を減量制御する尿素水供給量減量制御手段と、該尿素水供給量減量制御手段によって尿素水供給量が減量制御されたとき、前記ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第３の出力値変化検出手段と、該第３の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化に基づき、前記尿素水供給手段、前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒の正常又は異常を判定する第２の判定手段と、をさらに備えることが好ましい。

この形態によれば、上記一形態における前記第１の出力値変化検出手段による出力値に変化があり、且つ前記第２の出力値変化検出手段による出力値に変化がないとき、尿素水供給量減量制御手段によって前記尿素水供給手段からの尿素水供給量が減量制御され、そのとき、第３の出力値変化検出手段によって前記ＮＯｘセンサの出力値の変化が検出される。前記第１の出力値変化検出手段による出力値に変化があり、且つ前記第２の出力値変化検出手段による出力値に変化がないときは、尿素水供給量の増量に伴うＮＨ₃の増大があったが、これがＮＨ₃酸化触媒で正常に処理されたことを意味するので、ＮＨ₃酸化触媒は正常であると推定される。そして、この第３の出力値変化検出手段によるＮＯｘセンサの出力値が変化しない場合には、尿素水供給量減量制御手段により尿素水供給量が減量制御されたが、尿素水供給手段からは尿素水が減量して供給されなかった結果、未処理ＮＯｘの増大がないことを意味するので、第２の判定手段によって前記尿素水供給手段が異常（故障）でありＮＨ₃酸化触媒は正常であると判定される。一方、第３の出力値変化検出手段によるＮＯｘセンサの出力値が変化した場合には、ＮＨ₃酸化触媒は正常であるが未処理ＮＯｘが増大したことを意味し、選択還元型ＮＯｘ触媒は正常に機能しておらず異常であると判定される。

したがって、この形態によれば、尿素水供給手段を含み、選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒のいずれかの正常又は異常かを判定することができる。

なお、前記第１の判定手段は、前記第１の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がない場合において、前記第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がないときに、前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒が共に正常と判定し、前記第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化があるときに、前記選択還元型ＮＯｘ触媒は正常であり、ＮＨ₃酸化触媒が異常であると判定してもよい。

また、前記第１の判定手段は、前記第１の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がある場合において、前記第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化があるときに、前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒が共に異常と判定してもよい。

さらに、前記第２の判定手段は、前記第３の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がないときに、前記ＮＨ₃酸化触媒は正常であり前記尿素水供給手段が異常であると判定してもよい。

また、前記第２の判定手段は、前記第３の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化があるときに、前記ＮＨ₃酸化触媒は正常であり前記選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定してもよい。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る内燃機関の概略的なシステム図である。図中、１０は、自動車用の圧縮着火式内燃機関即ちディーゼルエンジンであり、１１は吸気ポートに連通されている吸気マニフォルド、１２は排気ポートに連通されている排気マニフォルド、１３は燃焼室である。本実施形態では、不図示の燃料タンクから高圧ポンプ１７に供給された燃料が、高圧ポンプ１７によりコモンレール１８に圧送されて高圧状態で蓄圧され、このコモンレール１８内の高圧燃料がインジェクタ１４から燃焼室１３内に直接噴射供給される。エンジン１０からの排気ガスは、排気マニフォルド１２からターボチャージャ１９を経た後にその下流の排気通路１５に流され、後述のように浄化処理された後、大気に排出される。なお、ディーゼルエンジンの形態としてはこのようなコモンレール式燃料噴射装置を備えたものに限らない。またＥＧＲ装置などの他の排気浄化デバイスを含むことも任意である。

他方、エアクリーナ２０から吸気通路２１内に導入された吸入空気は、エアフローメータ２２、ターボチャージャ１９、インタークーラ２３、スロットルバルブ２４を順に通過して吸気マニフォルド１１に至る。エアフローメータ２２は吸入空気量を検出するためのセンサであり、具体的には吸入空気の流量に応じた信号を出力する。スロットルバルブ２４には電子制御式のものが採用されている。

排気通路１５には、上流側から順に排気ガス中に含まれる未燃成分を酸化処理する酸化触媒３０、微粒子（ＰＭ）を捕捉して処理するＤＰＦ触媒３２、その通路内の排気ガス中に含まれるＮＯｘを還元して浄化するＮＯｘ触媒３４、及びアンモニア酸化触媒３６が設けられている。本実施形態のＮＯｘ触媒３４は選択還元型ＮＯｘ触媒であり、還元剤が添加されたときにＮＯｘを連続的に還元して浄化し得る。

ＤＰＦ触媒３２の下流で選択還元型ＮＯｘ触媒３４の上流側の排気通路１５には、選択還元型ＮＯｘ触媒３４に還元剤としての尿素を選択的に添加するための添加弁４０が設けられている。尿素は尿素水溶液の形で使用され、添加弁４０から下流側の選択還元型ＮＯｘ触媒３４に向かって排気通路１５内に噴射供給される。そして、添加弁４０の下流で選択還元型ＮＯｘ触媒３４の上流入口には、噴射供給された尿素水溶液を選択還元型ＮＯｘ触媒３４に均等に分散させるための尿素分散板４１が設けられている。さらに、添加弁４０には、これに尿素水溶液を供給するための供給装置４２が接続され、供給装置４２には尿素水溶液を貯留するタンク４４が接続されている。

また、エンジン全体の制御を司る制御手段としての電子制御ユニット（以下ＥＣＵと称
す）１００が設けられている。ＥＣＵｌ００は，デジタルコンピュータからなり、双方向バスによって相互に接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）、ＣＰＵ（セントラルプロセッサユニット）、入力ポート、出力ポートおよび記憶装置等を含むものである。ＥＣＵ１００は、各種センサ類の検出値等に基づいて、所望のエンジン制御が実行されるように、インジェクタ１４、高圧ポンプ１７、スロットルバルブ２４等を制御する。またＥＣＵ１００は、尿素添加量を制御すべく、添加弁４０及び供給装置４２を制御する。また、ＥＣＵｌ００は、ＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによって、後述する故障判定処理をも実行することが可能に構成されており、本発明に係る排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置の一例としても機能するように構成されている。

ＥＣＵ１００に接続されるセンサ類としては、前述のエアフローメータ２２の他、本実施の形態では選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の下流側に設けられたＮＯｘセンサ５２、及び、同じく添加弁４０の下流側であって選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の上流側と下流側にそれぞれ設けられた触媒前排気温センサ５４及び触媒後排気温センサ５６が含まれる。ＮＯｘセンサ５２、触媒前排気温センサ５４及び触媒後排気温センサ５６は、それぞれ、その設置位置における排気ガスのＮＯｘ濃度、及び温度に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。

ここで、上述の排気温センサとしてはサーミスタ、ＮＯｘセンサ５２としては安定化ジルコニアを固体電解質とするものなどが用いられ得る。この安定化ジルコニアを固体電解質とするＮＯｘセンサ５２は、排気ガス中のＮＯｘをＯ₂とＮ₂とに分解してそのＯ₂分圧を検出し、これにより排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。また、排気ガス中にＮＨ₃が存在すると、このＮＨ₃はＮＯｘセンサ５２の安定化ジルコニアからなる固体電解質において酸化されてＮＯに変わり、このＮＨ₃の酸化によるＮＯもＮＯｘとして検出されることから、このＮＯｘセンサ５２の検出出力値は排気ガス中のＮＯｘ濃度とＮＨ₃濃度の双方の和となる。

また他のセンサ類として、クランク角センサ２６及びアクセル開度センサ２７がＥＣＵ１００に接続されている。クランク角センサ２６はクランク角の回転時にクランクパルス信号をＥＣＵ１００に出力し、ＥＣＵ１００はそのクランクパルス信号に基づきエンジン１０のクランク角を検出すると共に、エンジン１０の回転速度を計算する。アクセル開度センサ２７は、ユーザによって操作されるアクセルペダルの開度（アクセル開度）に応じた信号をＥＣＵ１００に出力する。

選択還元型ＮＯｘ触媒（SCR: Selective Catalytic Reduction）３４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（Ｖ₂Ｏ₅／ＷＯ₃／ＴｉＯ₂）を担持させたもの等が例示できる。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は、その触媒温度（触媒床温）が活性温度域にあり、且つ、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化する。尿素水が触媒に添加されると、下記の化学反応式などに代表的に示されるように、選択還元型ＮＯｘ触媒上でアンモニア（ＮＨ₃）が生成され、このアンモニアがＮＯｘと反応してＮＯｘが還元され、窒素（Ｎ₂）と水（Ｈ₂Ｏ）が生成される。
・ＣＯ（ＮＨ₂）₂＋Ｈ₂Ｏ → ２ＮＨ₃＋ＣＯ₂
・４ＮＯ＋４ＮＨ₃＋Ｏ₂ → ４Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
・６ＮＯ₂＋８ＮＨ₃ → ７Ｎ₂＋１２Ｈ₂Ｏ

選択還元型ＮＯｘ触媒３４に対する尿素添加量は、本実施形態では、エンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）の情報に基づいて、処理すべきＮＯｘ発生量に対応した基本的な尿素水添加量が予め実験により求められて設定されている制御マップから読み出されて決定される。また、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の下流に設けられたＮＯｘセンサ５２に検出されるＮＯｘ濃度に基づき、ＥＣＵ１００により制御されてもよい。具体的には、ＮＯｘ濃度の検出値が常にゼロになるように添加弁４０からの尿素噴射量が制御される。この場合、触媒後ＮＯｘ濃度の検出値のみに基づいて尿素噴射量を設定してもよく、或いは、上述のエンジン運転状態（例えばエンジン回転速度とアクセル開度）の情報に基づく基本的な尿素水添加量が制御マップから読み出されて決定され、これがＮＯｘセンサ５２の検出値に基づきフィードバック補正制御されてもよい。選択還元型ＮＯｘ触媒３４は尿素添加時のみＮＯｘを還元可能なので、通常、尿素水は常時添加される。また、エンジンから排出されるＮＯｘを還元するのに必要な最小限の量しか尿素が添加されないよう、制御が行われる。過剰に尿素を添加することによりアンモニアが触媒下流に排出されてしまう所謂ＮＨ₃スリップを防止するために、上述のアンモニア酸化触媒３６が設けられている。

ここで、本実施の形態における排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置による正常又は異常の判定が行われる各モードにつき、表１を参照して説明する。

表１において、○は正常、×は異常を意味する。モード「１」においては、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６が共に正常に機能していることを意味し、逆に、モード「４」においては、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６が共に正常に機能せず、異常状態にあることを意味している。また、モード「２」及び「３」では、選択還元型ＮＯｘ触媒３４又はアンモニア酸化触媒３６のいずれか一方が異常状態にあることを意味し、モード「５」は、尿素水供給系から正常に尿素が供給されない異常状態にあることを意味している。なお、以下の説明において、ＮＯｘセンサ５２の第１ないし第５の出力値ｘ「１」ないしｘ「５」は、上述のモード「１」ないし「５」にそれぞれ対応しする出力値である。

そこで、かかるモード「１」ないし「５」とＮＯｘセンサ５２の第１ないし第５の出力値ｘ「１」ないしｘ「５」との関係を、添加弁４０からの距離を横軸に、ＮＯｘ濃度及びＮＨ₃濃度をそれぞれ縦軸に取った図２を参照して説明する。

まず、所定のＮＯｘ濃度の出ガスが添加弁４０の下流の選択還元型ＮＯｘ触媒３４に流入した場合を想定する。尿素水供給系から正常に尿素が供給されない異常状態であるモード「５」においては、ＮＯｘの還元処理が行われず、図２（Ａ）に実線aで示すように、ＮＯｘセンサ５２で当該ＮＯｘ濃度に対応した出力値ｘ「５」として検出される。一方、選択還元型ＮＯｘ触媒３４が異常状態にあるモード「２」及び「４」では、その残存処理能力に応じたＮＯｘの還元処理が僅かに行なわれてＮＯｘ濃度が低下する結果、図２（Ａ）に破線bで示すように、出力値ｘ「５」よりも僅かに小さい出力値ｘ「２」及び出力値ｘ「４」として検出される。さらに、選択還元型ＮＯｘ触媒３４が正常状態にあるモード「１」及びモード「３」では、ＮＯｘの還元処理が行われＮＯｘ濃度が大幅に低下する結果、図２（Ａ）に一点鎖線cで示すように、ほぼゼロに近い出力値ｘ「１」及び出力値ｘ「３」として検出される。

そして、尿素水供給系から尿素が供給された結果、選択還元型ＮＯｘ触媒３４の下流にその処理能力に対応したＮＨ₃濃度のガスが現れ、これがアンモニア酸化触媒３６に流入した場合を想定する。選択還元型ＮＯｘ触媒３４が異常状態にあるモード「２」では、尿素水がさほど消費されない結果としてやや高めのＮＨ₃濃度のガスとなるのに対し、選択還元型ＮＯｘ触媒３４が正常状態にあるモード「１」では、尿素水がほぼ消費されて低めのＮＨ₃濃度のガスとなる。アンモニア酸化触媒３６が異常状態にあるモード「３」及びモード「４」では、ＮＨ₃の酸化処理が行われず、図２（Ｂ）にそれぞれ破線d及び実線eで示すように、ＮＯｘセンサ５２で当該ＮＨ₃濃度に対応した出力値ｘ「３」及び出力値ｘ「４」として検出される。一方、アンモニア酸化触媒３６が正常状態にあるモード「１」及びモード「２」では、ＮＨ₃の酸化処理が行われ、図２（Ｂ）に一点鎖線fで示すように、ＮＯｘセンサ５２でほぼゼロに近い出力値ｘ「１」又は出力値ｘ「２」として検出される。

なお、ＮＯｘセンサ５２の検出出力値は、前述のようにＮＯｘ濃度とＮＨ₃濃度に対応する双方の出力値の和となることから、上述のＮＯｘ濃度とＮＨ₃濃度にそれぞれ対応する出力値ｘ「１」ないしｘ「５」をそれぞれ加算すると、図２（Ｃ）に示すような、ＮＯｘセンサ５２の第１ないし第５の出力値ｘ「１」ないしｘ「５」となる。

次に、本実施の形態における排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置による正常又は異常の判定を実行するための処理手順の一例を、図３のフローチャートと共に図４のタイムチャートを参照しつつ説明する。図示される判定ルーチンはＥＣＵ１００により所定条件が成立したときに所定の周期で実行される。

したがって、この正常又は異常の判定ルーチンを実行する前に、所定条件が成立したか否かがＥＣＵ１００による通常の制御ルーチンで判断される。具体的に例示すると、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の床温が後述するように所定温度範囲内にあるか否か、ＮＯｘセンサ５２が活性済みであるか否か、尿素水添加制御中であるか否か、及び後述の如く正常又は異常の判定が未完了か否かが判定される。これらの所定条件のいずれか一つでも成立していないときは、本ルーチンは実行されない。所定条件が成立していないときに判定を実行しても正しい判定はできないからである。

ここで、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の床温Ｔｃを求める方法につき説明する。選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の温度は、触媒に埋設した温度センサにより直接検出することもできるが、本実施形態ではそれを推定することとしている。具体的には、ＥＣＵ１００が、触媒前排気温センサ５４及び触媒後排気温センサ５６によりそれぞれ検出された触媒前排気温及び触媒後排気温に基づき、床温を推定する。

今、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６に流入する触媒上流側の排気ガスの温度をＴｆ（℃）、その排気ガスのガス量をＧａ（ｇ／ｓ）とする。ここで排気ガスのガス量はエンジンに吸入される空気量と等しいとみなせることから、その吸入空気量Ｇａを排気ガス量としている。この排気ガス量は単位時間（ここでは１秒）当たりに触媒に流入する排気ガス量である。他方、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の床温をＴｃ（℃）、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の重量をＭｃ（ｇ）、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６から排出される触媒下流側の排気ガスの温度をＴｒ（℃）とする。

さらに、触媒上流側の排気ガスの持つ熱エネルギをＥｆ、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の持つ熱エネルギをＥｃとする。これら熱エネルギＥｆ，Ｅｃは次式（１）、（２）により表すことができる。但し、Ｃｇは排気ガスの比熱比、Ｃｃは選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の比熱比で、両者は一定値である。
Ｅｆ＝Ｇａ×Ｔｆ×Ｃｇ（Ｊ／ｓ） ・・・（１）
Ｅｃ＝Ｍｃ×Ｔｃ×Ｃｃ（Ｊ） ・・・（２）

ところで、熱エネルギＥｃを持った選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６に、熱エネルギＥｆを持った排気ガスが供給された場合の熱平衡を考えると、排気ガスの供給開始時点から単位時間経過後に選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６と排気ガスとが熱平衡状態になったと考え、熱平衡後の両者の温度をＴｍとすると、熱平衡の式は次式（３）で表される。
Ｅｆ＋Ｅｃ＝Ｇａ×Ｔｍ×Ｃｇ＋Ｍｃ×Ｔｍ×Ｃｃ ・・・（３）

この温度Ｔｍが選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の推定温度の基本的な値である。しかしながら、実際には、排気ガスと選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６との間で完全な熱平衡状態に至る訳ではなく、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の下流側に温度Ｔｒの排気ガスが排出され、熱エネルギが逃げている。よってその温度Ｔｒに基づいて下流側に逃げた熱エネルギＥｒが計算され、これにより選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の基本推定温度Ｔｍがフィードバック補正され、最終的な推定床温Ｔｃが算出される。

上記の説明から理解されるように、本実施形態では、選択還元型ＮＯｘ触媒３４上流側の排気ガス温度である触媒前排気温Ｔｆが触媒前排気温センサ５４で検出され、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６下流側の排気ガス温度である触媒後排気温Ｔｒが触媒後排気温センサ５６で検出される。そして、排気ガス量と等価とみなせる吸入空気量Ｇａがエアフローメータ２２で検出される。これら検出値に基づき、ＥＣＵ１００が、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６の床温Ｔｃを推定する。

そして、判定ルーチンの実行前にこの推定された床温Ｔｃが所定の温度範囲（例えば、２００〜４００℃）内にあるか否かが判断される。また、同時にＮＯｘセンサ５２が活性済みであるか否かが、例えば、検知されたインピーダンスがＮＯｘセンサ５２の活性温度に対応する所定値に到達したか否かにより、さらに、尿素水の添加制御中であるか否かが、例えば、添加弁４０へのＥＣＵ１００からの開弁作動制御信号の有無などにより判定される。これらの判定の結果、所定条件が成立しているときに判定ルーチンが実行されることになる。

そこで、上述の所定条件が満たされたとき、換言すると、異常判定モード時に、排気ガス浄化システムの正常又は異常の判定ルーチンが実行される。そして、この判定ルーチンが実行されると、まず、ステップＳ３０１において内燃機関から排出される排気ガス（以下、出ガスと称する）の量が一定ないしは所定範囲内となるように制御される。これは、エアフローメータ２２で検出される吸入空気量Ｇａに基づき、この吸入空気量Ｇａが一定ないしは所定範囲内にあるように、例えばスロットルバルブ２４の開度を制御することによってもよい。なお、上述の所定条件の一つとして、このエアフローメータ２２で検出される吸入空気量Ｇａに基づき、内燃機関から排出される排気ガス（出ガス）の量が一定ないしは所定範囲内にある運転状態であることという条件を設定するようにしてもよい。このようにすると、より正確にＮＯｘ濃度の変化を把握できるので、より正確に正常又は異常の判定が行なわれることになる。

そして、次のステップＳ３０２においてエンジン１０の出ガス中のＮＯｘ濃度を増大する制御が実行される。すなわち、図４のタイムチャートの時点ｔ０において、出ガス中のＮＯｘ濃度が増大される。このＮＯｘ濃度を増大する制御としては、例えば、排気還流装置を備えるエンジン１０の場合、所定の運転状態においてＮＯｘの発生量を最少とする基準排気還流量（ＥＧＲ量）よりもＥＧＲ量を減少させることにより、その結果として、単位出ガス量当たりの発生ＮＯｘ量を増大させてＮＯｘ濃度を増大するようにしてもよい。

そこで、このＮＯｘ濃度増大制御を行った後の次のステップＳ３０３において、ＮＯｘセンサ５２により今回計測された第１の検出値としてのＮＯｘセンサ検出値Ｘ１（これは、上述の第１ないし第５の出力値ｘ「１」ないしｘ「５」のいずれかを含んでいる）と、上述のＮＯｘ濃度増大制御前のＮＯｘセンサ出力値Ｘ０とが比較される。すなわち、ＮＯｘ濃度増大制御前後でのＮＯｘセンサ出力値の変化量が両計測値の差ｄＮＯｘ１として、次式（４）により算出される。
ｄＮＯｘ１ ＝ Ｘ１ − Ｘ０ ・・・（４）

そして、ステップＳ３０３における比較の結果、ＮＯｘ濃度増大制御前後でのＮＯｘ濃度の計測値の差ｄＮＯｘ１がゼロすなわち変化がないとき、換言すると、ＮＯｘセンサ５２の出力値が一定（図４のモード「１」又は「３」)のときはステップＳ３０４に進み、変化があるとき（図３のモード「２」、「４」又は「５」の場合)には、ステップＳ３０８に進む。これらのステップＳ３０４及びステップＳ３０８においてはいずれも、後述するように、添加弁４０からの尿素水の噴射供給量が所定量増量される尿素水供給量増量制御が実行される（図３のタイムチャートの時点ｔ１参照）。なお、この尿素水供給量増量制御は、ステップＳ３０２でのＮＯｘ濃度増大制御より前における通常の運転状態でのＮＯｘ濃度に対応して、そのＮＯｘ量を浄化処理するに適した基準の尿素水供給量(当量比：１)に対し、尿素水供給量を所定割合で増量することにより行われる。

そこで、ＮＯｘセンサ５２の出力値が一定のときに進むステップＳ３０４の次のステップＳ３０５においては、ＮＯｘセンサ５２によりさらに新たに計測された第２の検出値としてのＮＯｘセンサ検出値Ｘ２（図４のモード「１」又は「３」に対応）が上述のステップＳ３０４における尿素水供給量増量制御前のＮＯｘセンサ検出値Ｘ１と比較される。すなわち、尿素水供給量増量制御前後でのＮＯｘ濃度の変化量が両計測値の差ｄＮＯｘ２として、次式（５）により算出される。
ｄＮＯｘ２ ＝ Ｘ２ − Ｘ１ ・・・（５）
ここで、この場合はＸ１はＸ０と等しいので、Ｘ０と置き換えてもよい。

そして、ステップＳ３０５おける比較の結果、尿素水供給量増量制御前後でのＮＯｘ濃度の計測値の差ｄＮＯｘ２がゼロすなわち上昇変化がないとき、換言すると、ＮＯｘセンサ５２の出力値が一定のときはステップＳ３０６に進み、変化があるときに、ステップＳ３０７に進む。

このステップＳ３０６においては、ＮＯｘ濃度増大制御の前後、及び、尿素水供給量増量制御の前後のいずれにおいても、ＮＯｘセンサ５２の出力値が一定で変化がない（図４のモード「１」に対応）ことから、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６のいずれもが正常に機能していることを意味するので、その旨の判定を行い、本ルーチンは終了される。

また、ステップＳ３０７においては、ＮＯｘ濃度増大制御の前後においてＮＯｘセンサ５２の出力値が一定で変化がなかったけれども、尿素水供給量増量制御の前後においてはＮＯｘセンサ５２の出力値が上昇変化した（図４の「３」）ことから、選択還元型ＮＯｘ触媒３４は正常に機能しているが、アンモニア酸化触媒３６が正常に機能していない、すなわち、異常であることを意味するので、その旨の判定（上述の、モード「３」に対応する）を行い、本ルーチンは終了される。

一方、上述のステップＳ３０３における比較の結果、ＮＯｘ濃度増大制御前後でのＮＯｘ濃度の計測値の差ｄＮＯｘ１がゼロでない、すなわち、変化があるときに進むステップＳ３０８においても、前述のように、添加弁４０からの尿素水の噴射供給量が所定量増量される尿素水供給量増量制御が実行される（図４の時点ｔ１参照）。

そこで、次のステップＳ３０９においては、ＮＯｘセンサ５２により新たに計測された第３の検出値としてのＮＯｘセンサ検出値Ｘ３が上述のステップＳ３０８における尿素水供給量増量制御前のＮＯｘセンサ検出値Ｘ１と比較される。すなわち、尿素水供給量増量制御前後でのＮＯｘ濃度の変化量が両計測値の差ｄＮＯｘ３として、次式（６）により算出される。
ｄＮＯｘ３ ＝ Ｘ３ − Ｘ１ ・・・（６）

そして、ステップＳ３０９おける比較の結果、尿素水供給量増量制御前後でのＮＯｘ濃度の計測値の差ｄＮＯｘ３がゼロすなわち変化がない（図４のモード「２」又は「５」）とき、換言すると、ＮＯｘセンサ５２の出力値が一定のときはステップＳ３１１に進み、上昇変化があるときに、ステップＳ３１０に進む。

このステップＳ３１０においては、ＮＯｘ濃度増大制御の前後においてＮＯｘセンサ５２の出力値に変化があり、尿素水供給量増量制御の前後においてもＮＯｘセンサ５２の出力値が変化した（図４のモード「４」参照）ことから、選択還元型ＮＯｘ触媒３４及びアンモニア酸化触媒３６がＮＯｘの処理もアンモニアの処理も行なっておらず正常に機能していない、すなわち、異常であることを意味するので、その旨の判定（上述の、モード「４」に対応する）を行い、本ルーチンは終了される。

さらに、ＮＯｘ濃度増大制御の前後においてＮＯｘセンサ５２の出力値に変化があり、尿素水供給量増量制御前後でのＮＯｘ濃度の計測値の差ｄＮＯｘ３がゼロすなわち変化がないときに進むステップＳ３１１においては、添加弁４０からの尿素水の噴射供給量が所定量減量される尿素水供給量減量制御が実行される（図４の時点ｔ２参照）。なお、この尿素水供給量減量制御は、ステップＳ３０２でのＮＯｘ濃度増大制御より前における通常の運転状態でのＮＯｘ濃度に対応して、そのＮＯｘ量を浄化処理するに適した基準の尿素水供給量(当量比：１)に対し、尿素水供給量を所定割合で減量することにより行われる。

そこで、次のステップＳ３１２においては、ＮＯｘセンサ５２により新たに計測された第４の検出値としてのＮＯｘセンサ検出値Ｘ４（図４の「２」又は「５」）が上述のステップＳ３１１における尿素水供給量減量制御前のＮＯｘセンサ検出値Ｘ１又はＸ３と比較される。すなわち、尿素水供給量減量制御前後でのＮＯｘ濃度の変化量が両計測値の差ｄＮＯｘ４として、次式（７）により算出される。
ｄＮＯｘ４ ＝ Ｘ４ − Ｘ１ ・・・（７）
ここで、この場合Ｘ１はＸ３と等しいので、Ｘ３と置き換えてもよい。

そして、ステップＳ３１２おける比較の結果、尿素水供給量減量制御前後でのＮＯｘ濃度の計測値の差ｄＮＯｘ４がゼロすなわち変化がない（図４の「５」）とき、換言すると、ＮＯｘセンサ５２の出力値が一定のときはステップＳ３１３に進み、変化がある（図３の「２」）ときに、ステップＳ３１４に進む。

このステップＳ３１３においては、ＮＯｘ濃度増大制御の前後においてＮＯｘセンサ５２の出力値に変化があったが、尿素水供給量増量制御の前後においてはＮＯｘセンサ５２の出力値が変化しなかったことから、少なくともアンモニア酸化触媒３６は正常に機能しているが、尿素水供給量減量制御の前後においてＮＯｘセンサ５２の出力値が変化しなかったことから、添加弁４０を含む供給装置４２が異常であることを意味するので、その旨の判定（上述の、モード「５」に対応する）を行い、本ルーチンは終了される。

一方、ステップＳ３１４においては、ステップＳ３１３と同様に、ＮＯｘ濃度増大制御の前後においてＮＯｘセンサ５２の出力値に変化があったが、尿素水供給量増量制御の前後においてはＮＯｘセンサ５２の出力値が変化しなかったことから、少なくともアンモニア酸化触媒３６は正常に機能していると判定される。しかし、尿素水供給量減量制御の前後においてＮＯｘセンサ５２の出力値が変化したことから、選択還元型ＮＯｘ触媒３４が正常に機能していない、すなわち、異常であることを意味するので、その旨の判定（上述の、モード「２」に対応する）を行い、本ルーチンは終了される。

なお、本発明の実施形態においては、図３のフローチャートにおけるステップＳ３０３を実行すべく機能する部位が第１の出力値変化検出手段を、ステップＳ３０４及びステップＳ３０８を実行すべく機能する部位が尿素水供給量増量制御手段を、ステップＳ３０５及びステップＳ３０９を実行すべく機能する部位が第２の出力値変化検出手段を、及び、ステップＳ３０６、ステップＳ３０７及びステップＳ３１０を実行すべく機能する部位が第１の判定手段を構成している。また、ステップＳ３１１を実行すべく機能する部位が尿素水供給量減量制御手段を、ステップＳ３１２を実行すべく機能する部位が第３の出力値変化検出手段を、及び、ステップＳ３１３及びステップＳ３１４を実行すべく機能する部位が第２の判定手段を構成している。

以上の説明から明らかなように、本実施の形態によれば、選択還元型ＮＯｘ触媒３４、アンモニア酸化触媒３６及び添加弁４０を含む供給装置４２のいずれが異常であるかの判定が可能である。ここで、いずれかが異常と判定されたときには、公知の手法により運転者に適宜警報などが与えられるのが好ましい。

なお、図３のフローチャートには図示しないが、本ルーチンにおいて選択還元型ＮＯｘ触媒３４、アンモニア酸化触媒３６及び添加弁４０を含む供給装置４２の正常又は異常の判定が行われた際には、正常又は異常の判定が完了した旨のフラグがセットされる。このフラグがセットされた場合には、上述の所定条件成立か否かの判定において、判定は既に完了し所定条件不成立として、ステップＳ３０１以降の正常又は異常の判定ルーチンは実行されない。これは、正常又は異常の判定は一走行（トリップ）当り少なくとも一度実行されれば十分であるからである。したがって、エンジン１０が停止されたときには、このフラグがリセットされるのが好ましい。

以上、本発明の一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、選択還元型ＮＯｘ触媒３４の上流側にも触媒前ＮＯｘセンサを設けるようにしてもよい。この場合には、触媒前ＮＯｘセンサにより出ガス中のＮＯｘ濃度を基準出力値として計測し、これと上述のＮＯｘセンサ５２の出力値とを比較することにより、出力値の変化の有無を判断するようにしてもよい。

なお、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。したがって本発明は、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。

本発明の一実施形態に係る排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置を示す概略図である。 本発明の実施形態において、モード「１」ないし「５」とＮＯｘセンサ５２の第１ないし第５の出力値ｘ「１」ないしｘ「５」との関係を説明するためのグラフであり、（Ａ）はＮＯｘ濃度、（Ｂ）はＮＨ₃濃度をそれぞれ縦軸に、添加弁４０からの距離を横軸に取って示す。なお、（Ｃ）はＮＯｘ濃度とＮＨ₃濃度にそれぞれ対応する出力値ｘ「１」ないしｘ「５」をそれぞれ加算して示す、ＮＯｘセンサ５２の第１ないし第５の出力値ｘ「１」ないしｘ「５」である。 本発明の実施形態において正常又は異常の判定処理手順の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態において異常部位の判定処理に係る動作を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

１０ エンジン
１５ 排気通路
３４ 選択還元型ＮＯｘ触媒
３６ アンモニア酸化触媒
４０ 添加弁
４２ 供給装置
５２ ＮＯｘセンサ
５４ 触媒前排気温センサ
５６ 触媒後排気温センサ
１００ 電子制御ユニット（ＥＣＵ）

Claims (6)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型ＮＯｘ触媒、その下流のＮＨ₃酸化触媒及び前記選択還元型ＮＯｘ触媒の上流の排気通路に尿素水を供給する尿素水供給手段を有する排気ガス浄化システムにおける異常部位の判定装置であって、
   前記ＮＨ₃酸化触媒の下流に配置されたＮＯｘセンサと、
   前記内燃機関の所定の運転状態における異常判定モード時に、前記内燃機関から排出される出ガスのＮＯｘ濃度を所定量増大させるＮＯｘ濃度増大手段と、
   該ＮＯｘ濃度増大手段によってＮＯｘ濃度が所定量増大されたとき、前記ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第１の出力値変化検出手段と、
   該第１の出力値変化検出手段による出力値の変化の検出に対応して前記尿素水供給手段からの尿素水供給量を所定量増量制御する尿素水供給量増量制御手段と、
   該尿素水供給量増量制御手段によってそれぞれ尿素水供給量が所定量増量制御されたとき、前記ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第２の出力値変化検出手段と、
   該第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化に基づき、少なくとも前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒の正常又は異常を判定する第１の判定手段と、
   を備えることを特徴とする排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置。
2. 前記第１の出力値変化検出手段による出力値に変化があり、且つ前記第２の出力値変化検出手段による出力値に変化がないとき、前記尿素水供給手段からの尿素水供給量を減量制御する尿素水供給量減量制御手段と、
   該尿素水供給量減量制御手段によって尿素水供給量が減量制御されたとき、前記ＮＯｘセンサの出力値の変化を検出する第３の出力値変化検出手段と、
   該第３の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化に基づき、前記尿素水供給手段、前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒の正常又は異常を判定する第２の判定手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置。
3. 前記第１の判定手段は、前記第１の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がない場合において、前記第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がないときに、前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒が共に正常と判定し、前記第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化があるときに、前記選択還元型ＮＯｘ触媒は正常であり、ＮＨ₃酸化触媒が異常であると判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置。
4. 前記第１の判定手段は、前記第１の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がある場合において、前記第２の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化があるときに、前記選択還元型ＮＯｘ触媒及びＮＨ₃酸化触媒が共に異常と判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置。
5. 前記第２の判定手段は、前記第３の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化がないときに、前記ＮＨ₃酸化触媒は正常であり前記尿素水供給手段が異常であると判定することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置。
6. 前記第２の判定手段は、前記第３の出力値変化検出手段により検出された前記ＮＯｘセンサの出力値の変化があるときに、前記ＮＨ₃酸化触媒は正常であり前記選択還元型ＮＯｘ触媒が異常であると判定することを特徴とする請求項２ないし４のいずれかに記載の排気ガス浄化システムの異常部位の判定装置。

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