JP5708787B2

JP5708787B2 - 触媒劣化判定システム

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Publication number: JP5708787B2
Application number: JP2013502117A
Authority: JP
Inventors: 中村　好孝; 好孝中村; 洋孝齋藤; 徹木所; 裕澤田; 櫻井　健治; 健治櫻井
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2011-03-03
Filing date: 2011-03-03
Publication date: 2015-04-30
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: WO2012117553A1; US20130336841A1; EP2682578B1; EP2682578A4; EP2682578A1; JPWO2012117553A1

Description

本発明は、触媒劣化判定システムに関する。

内燃機関のリーン燃焼時に排出される排ガス中のＮＯxを吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、単にＮＯx触媒ともいう。）で吸蔵し、その後、空燃比を一時的にリッチとすることでＮＯx触媒からＮＯxを放出させると共にＮ_２へ還元させることができる。そして、リッチ燃焼時において空燃比センサの出力のピーク値を求め、そのピーク値に基づいてＮＯx触媒のＮＯx吸蔵能力を推定し、該推定したＮＯx吸蔵能力を基にＮＯx触媒の劣化を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

しかし、ガソリンなどの低級ＨＣを還元剤として供給する場合には、上記技術にてＮＯx触媒の劣化を検出することができるが、軽油などの高級ＨＣを還元剤として供給する場合には、空燃比センサの検出値が実際の値とずれることがあるため、ＮＯx触媒の劣化の検出精度が低くなる虞がある。

特開２０００−０３４９４６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触媒の劣化判定をより正確に行なうことができる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劣化判定システムは、
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触媒の劣化を判定する触媒劣化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ことで該吸蔵還元型ＮＯx触媒を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯx触媒よりも下流の排気中のＮＨ_３を検出する検出装置と、
前記供給装置から還元剤を供給するときに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て第１の還元剤供給及び第２の還元剤供給を順に行う制御装置と、
前記第１の還元剤供給の開始から所定時間経過後で且つ前記第２の還元剤供給の開始後において、前記検出装置の検出値に基づいて前記吸蔵還元型ＮＯx触媒が劣化しているか否かを判定する判定装置と、
を備える。

吸蔵還元型ＮＯx触媒は、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、吸蔵還元型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、吸蔵還元型ＮＯx触媒に還元剤を供給してリッチ空燃比とすると、該触媒から脱離したＮＯxや該触媒に流入する排気中のＮＯxがＨ_２やＨＣと反応してＮＨ_３が生成される。吸蔵還元型ＮＯx触媒が新品の場合には、還元能力が高いために、還元剤の供給を開始した当初は、吸蔵されていたＮＯxがＮ_２へ還元されるので、ＮＨ_３の生成量は少ない。一方、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化の進行と共にＮ_２への還元能力が低下するため、ＮＨ_３の生成量が増加する。

そして、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化がさらに進行すると、ＮＯxの還元能力が著しく低下するため、ＮＨ_３の生成量が低下する。そうすると、吸蔵還元型ＮＯx触媒が新品のときと、劣化しているときと、でＮＨ_３の生成量の差が小さくなるため、ＮＨ_３の生成量に基づいた劣化判定が困難となる。

しかし、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されていたＮＯxをＮ_２に還元した後に、さらに還元剤を供給してリッチ空燃比とすると、吸蔵還元型ＮＯx触媒が新品のときと、劣化しているときと、でＮＨ_３の生成量に差が生じる。

すなわち、吸蔵還元型ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されていない状態のときに還元剤を供給すると、還元剤に余剰が生じる。この還元剤は、排気中のＮＯxと反応してＮＨ_３が生成される。触媒が新品の場合には、ＮＨ_３が多く生成されるが、触媒が劣化した場合には、還元剤とＮＯxとが反応し難くなるため、ＮＨ_３の生成量が少なくなる。

したがって、第１の還元剤供給により吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxを還元した後、第２の還元剤供給時における検出装置の検出値に基づいて該吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化をすることができる。すなわち、第１の還元剤供給は、主に、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxの量を減少させるために行う。一方、第２の還元剤供給は、主に、排気中のＮＯxと還元剤とを反応させてＮＨ_３を生成するために行う。

なお、還元剤を供給したときに生成されるＮＨ_３量が触媒の劣化の度合いに応じた値になるまでの時間として所定時間を設定することができる。また、新品の触媒と正常の触媒とで生成されるＮＨ_３の量が同程度になるまでの時間として所定時間を設定してもよい。なお、第２の還元剤供給開始時には、吸蔵還元型ＮＯx触媒にＮＯxが吸蔵されていない状態であってもよいが、ある程度のＮＯxが吸蔵されている状態であってもよい。すなわち、第２の還元剤供給によっても吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯxが還元されるため、第２の還元剤供給開始後にＮＯxが吸蔵されていない状態となれば、その後、新品の触媒であってもＮＨ_３が生成される。

なお、本発明においては、前記制御装置は、前記第２の還元剤供給時の排気の空燃比が、前記第１の還元剤供給時よりもリーン側で且つ理論空燃比よりもリッチ側となるように還元剤量を調節することができる。

すなわち、第１の還元剤供給時のほうがリッチの度合いが大きくなるため、吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量を速やかに減少させることができる。これにより、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を速やかに判定することができる。また、第２の還元剤供給時には、リッチ空燃比によりＮＨ_３を生成させることができるが、リッチの度合いを小さくすることにより、還元剤の消費量を低減させることができる。なお、第２の還元剤供給時には、排気中のＮＯxと反応するだけの必要最低限の還元剤を供給してもよい。

また、本発明においては、前記制御装置は、前記第２の還元剤供給時に排気の空燃比がリッチとリーンとで変動するように還元剤の供給を複数回行い、該第２の還元剤供給時の１回当たりのリッチ空燃比となる期間を前記第１の還元剤供給時にリッチ空燃比となる期間よりも短くすることができる。

すなわち、第１の還元剤供給時に吸蔵還元型ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量を減少させることができる。第１の還元剤供給終了時にＮＯx触媒にＮＯxが残留していたとしても、第２の還元剤供給時に、リーンとリッチとが繰り返されることにより、ＮＯx触媒に吸蔵されているＮＯx量が０となる。その後、新品のＮＯx触媒では、還元剤とＮＯx触媒に流入するＮＯxとが反応してＮＨ_３が生成される。すなわち、第１の還元剤供給が開始されてからある程度の時間が経過したときの還元剤供給時のＮＨ_３の生成量は、新品のＮＯx触媒を含む正常なＮＯx触媒では比較的多く、劣化しているＮＯx触媒では比較的少ない。したがって、このときの検出装置の検出値に基づいて吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化を判定することができる。

本発明においては、前記判定装置は、前記検出装置の検出値が閾値以上のときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は正常であると判定することができる。

また、本発明においては、前記判定装置は、前記検出装置の検出値が閾値未満のときに前記吸蔵還元型ＮＯx触媒は劣化していると判定することができる。

第１の還元剤供給が開始されてからある程度の時間が経過すると、還元剤の供給時に、新品のＮＯx触媒を含む正常のＮＯx触媒では、ＮＨ_３の生成量が比較的多くなり、劣化しているＮＯx触媒では、ＮＨ_３の生成量が比較的少なくなる。正常のＮＯx触媒において検出装置により検出される検出値の下限値を閾値として設定しておけば、検出値と閾値とを比較することでＮＯx触媒が正常であるか又は劣化しているか判定することができる。

本発明においては、前記検出装置は、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。

ＮＯxセンサはＮＨ_３もＮＯxと同様に検出してしまう。このため、ＮＯxセンサの検出値が、ＮＯx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。そうすると、設置するセンサの数を減らすことができるため、コストアップを抑制できる。

本発明によれば、吸蔵還元型ＮＯx触媒の劣化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。還元剤供給時の空燃比とＮＯx触媒よりも下流側のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。実施例１に係るリッチスパイク制御時の排気の空燃比とＮＯx触媒よりも下流側のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。実施例１に係るＮＯx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。実施例２に係るリッチスパイク制御時の排気の空燃比とＮＯx触媒よりも下流側のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。実施例２に係るＮＯx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、本発明に係る触媒劣化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。

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。そして、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxの還元時には、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制御を実行する。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（機関回転数及び燃料噴射量）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、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。

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、噴射弁５よりも上流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する上流側ＮＯxセンサ７が取り付けられている。また、ＮＯx触媒４よりも下流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する下流側ＮＯx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下流側ＮＯxセンサ８が、本発明における検出装置またはＮＯxセンサに相当する。

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に入力されるようになっている。

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。

そして、ＥＣＵ１０は、排気の空燃比が第１のリッチ空燃比（たとえば空燃比１３未満）を目標に第１のリッチスパイク制御（第１の還元剤供給）を行う。この第１のリッチスパイク制御は、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxの量を減少させるために行う。したがって、第１のリッチ空燃比は、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを速やかに減少させるために適した空燃比としてもよい。

第１のリッチスパイク制御が終了した直後、排気の空燃比が第１のリッチ空燃比よりもリーン側で且つ理論空燃比よりもリッチ側の第２のリッチ空燃比（たとえば空燃比１３以上で且つ１４未満）を目標に第２のリッチスパイク制御（第２の還元剤供給）を行う。この第２のリッチスパイク制御は、排気中のＮＯxを還元剤と反応させてＮＨ_３を生成するために行う。したがって、第２のリッチ空燃比は、ＮＨ_３を生成するために適した空燃比としてもよい。また、ＮＨ_３を生成するために必要最低限の還元剤を供給してもよい。

そして、第２のリッチスパイク制御開始後であって、第１のリッチスパイク制御開始から所定時間経過後に、下流側ＮＯx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の劣化判定を行う。還元剤を供給したときに生成されるＮＨ_３量がＮＯx触媒４の劣化の度合いに応じた量となるまでの時間として所定時間を設定する。また、所定時間は、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量が十分に減少するまでに要する時間としてもよく、たとえばＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxが所定量以下となるまでの時間としてもよい。なお、第１のリッチスパイク制御開始から所定時間経過後に、第２のリッチスパイク制御を開始することもできる。

なお、ＮＨ_３は、下流側ＮＯxセンサ８においてＯ_２と反応してＮＯになるため、ＮＯxとして検出される。このため、下流側ＮＯxセンサ８によりＮＨ_３が検出されたのか、またはＮＯxが検出されたのか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。すなわち、リッチ空燃比のときには、ＮＯx触媒４において還元剤（Ｈ_２，ＨＣ）とＮＯとが反応してＮＨ_３が生成されるため、下流側ＮＯxセンサ８により検出されるのは、ほとんどがＮＨ_３となる。したがって、このときに下流側ＮＯx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（図２参照）。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（図３参照）。

しかし、ＮＯx触媒４が劣化（シンタリング）すると、Ｐｔの表面積が正常時よりも小さくなる。このため、放出されたＮＯ_２がＮ_２に還元され難くなる。排気の空燃比をリッチ空燃比とすると、ＮＯx触媒４では、該ＮＯx触媒４から脱離したＮＯxまたはＮＯx触媒４に流入する排気中のＮＯxと、還元剤（Ｈ_２またはＨＣ）と、が反応して、ＮＨ_３が生成される。リッチ空燃比のときには、ＮＯx触媒４が正常の場合であっても劣化している場合であっても、ＮＯx触媒４においてＨ_２，ＨＣとＮＯとが反応してＮＨ_３が生成される。

しかし、ＮＯx触媒４が劣化すると、Ｐｔのシンタリングにより、ＮＯxを吸蔵可能なＢａが減少する。このため、ＮＯx触媒４の吸蔵能力が低下する。すなわち、ＮＯx触媒４が劣化すると、Ｂａ（ＮＯ_３）_２として吸蔵されるＮＯx量が減少する。そして、Ｐｔの表面積が小さくなることにより、還元剤の供給時に生成されるＮＨ_３の量も減少する。

ここで、図４は、還元剤供給時の空燃比とＮＯx触媒４よりも下流側のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。ＮＨ_３濃度は、還元剤の供給を開始してからＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxがすべて脱離するまでの間の所定の時期における濃度である。「新品触媒」は、車両に装着されたばかりのＮＯx触媒４を示している。これは、車両の走行距離が０から数ｋｍであって、Ｐｔの劣化がほとんどない状態である。「正常触媒」は、Ｐｔが劣化しているものの、劣化の度合いが許容範囲内のＮＯx触媒４を示している。「劣化触媒」は、劣化の度合いが許容範囲を超えたＮＯx触媒４を示している。

図４に示されるように、リッチ空燃比では、新品触媒のＮＨ_３濃度が最も低く、正常触媒のＮＨ_３濃度が最も高い。ここで、新品触媒では還元能力が高いため、還元剤を供給したときにＮＯxのほとんどがＮ_２へと還元される。このため、ＮＨ_３の生成量は少ない。そして、ＮＯx触媒４の劣化の進行と共にＮＯxをＮ_２へ還元する能力が低下するため、ＮＨ_３の生成量が多くなる。しかし、ＮＯx触媒４の劣化がさらに進行すると、ＮＯxの還元能力が著しく低下し、ＮＨ_３の生成量も低下する。このため、正常触媒と劣化触媒とでＮＨ_３濃度が同じ場合があるため、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを還元するときの下流側ＮＯxセンサ８の検出値に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことは困難である。

しかし、ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されていない状態で還元剤を供給してＮＨ_３を生成させると、このときのＮＨ_３の生成量は、ＮＯx触媒４の劣化の度合いに応じて変化する。すなわち、このときの下流側ＮＯxセンサ８の検出値に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことができる。

図５は、本実施例に係るリッチスパイク制御時の排気の空燃比とＮＯx触媒４よりも下流側のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。ＮＨ_３濃度において実線は前記新品触媒の場合を示し、一点鎖線は前記正常触媒の場合を示し、二点鎖線は前記劣化触媒の場合を示している。還元剤を供給する前後はリーン空燃比である。また、第１のリッチスパイク制御では空燃比を例えば１３未満とし、第２のリッチスパイク制御では第１のリッチスパイク制御よりも空燃比を高くして例えば１３以上１４未満としている。

第１のリッチスパイク制御は、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量を減少させるための制御である。第１のリッチスパイク制御では、空燃比が比較的低いため、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを速やかにＮ_２へ還元させることができる。すなわち、ＮＯがＣＯ，Ｈ_２またはＨＣと反応してＮ_２に還元される。

ここで、ＮＯx触媒４が前記新品触媒の場合には、Ｐｔが劣化していないため、還元反応が活発となり、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxがほとんどＮ_２へ還元されるため、ＮＨ_３の生成量が少ないので、ＮＨ_３濃度は低くなる。これに対し、正常触媒及び劣化触媒の場合には、Ｐｔの劣化が進行するためにＮＯxからＮ_２への還元能力が低下するので、ＮＨ_３の生成量が多くなり、ＮＨ_３濃度は高くなる。

第２のリッチスパイク制御は、ＮＨ_３を生成するための制御である。ＮＯx触媒４に吸蔵されていたＮＯxの還元が完了した後にさらに還元剤を供給すると、ＮＯx触媒４に流入する排気中に含まれるＮＯがＨ_２またはＨＣと反応してＮＨ_３が生成される。
２ＮＯ＋５Ｈ_２→２ＮＨ_３＋２Ｈ_２Ｏ
ＮＯ＋ＨＣ＋Ｈ_２Ｏ→ＮＨ_３＋ＣＯ_２
なお、第２のリッチスパイク制御では、ＮＨ_３を生成するために必要最低限の還元剤を供給してもよい。たとえば、上流側ＮＯxセンサ７により検出されるＮＯx濃度に応じて必要最低限の還元剤を供給してもよい。

ここで、ＮＯx触媒４が前記新品触媒の場合には、第１のリッチスパイク制御を実行することにより、該ＮＯx触媒４にはＮＯxが吸蔵されていないことになる。また、新品触媒は還元能力が高いために、第２のリッチスパイク制御時に排気中のＮＯxが還元剤と反応してＮＨ_３が多く生成される。ＮＯx触媒４が前記正常触媒の場合には、Ｐｔが劣化しているものの、排気中のＮＯxが還元剤と反応してＮＨ_３が多く生成される。一方、ＮＯx触媒４が前記劣化触媒の場合には、還元能力が低くなるため、ＮＨ_３の生成量が少なくなる。したがって、このＮＯx触媒４よりも下流へ流れ出るＮＨ_３の量は、ＮＯx触媒４の劣化の度合いに応じて少なくなる。

そうすると、第１のリッチスパイク時においては、新品触媒におけるＮＨ_３生成量が少ないために、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことは困難であったが、第２のリッチスパイク時には、新品触媒におけるＮＨ_３生成量が増加するため、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことが可能となる。

すなわち、第１のリッチスパイク制御が開始された時点から所定時間経過後であれば、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定が可能である。そして、ＮＨ_３濃度が閾値以上であればＮＯx触媒４は正常であり、閾値未満であればＮＯx触媒４は劣化していると判定することができる。このように、ＮＯx触媒４から流出するＮＨ_３の濃度を下流側ＮＯxセンサ８で検出すれば、ＮＯx触媒４の劣化を判定することができる。

図６は、本実施例にかかるＮＯx触媒４の劣化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、所定の期間毎に実行される。

ステップＳ１０１では、ＮＯx触媒４の劣化判定を行う前提条件が成立しているか否か判定される。たとえば下流側ＮＯx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。下流側ＮＯxセンサ８が正常であるか否かは、周知の技術により行うことができる。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の温度は、温度センサ９により検出される。

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、リッチスパイク実行条件が成立しているか否か判定される。リッチスパイク実行条件とは、ＮＯx触媒４の劣化判定を行うためのリッチスパイク制御を行う条件である。たとえば、ＮＯx触媒４に所定量以上のＮＯxが吸蔵されているときにリッチスパイク実行条件が成立していると判定される。ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量は、上流側ＮＯxセンサ７により検出されるＮＯx濃度に基づいて算出される。ここでいう所定量とは、還元剤を供給したときに、この還元剤を消費可能な量として予め実験等により求めておく。すなわち、ＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵されていなければ、第１のリッチスパイク制御時に還元剤が過剰に供給されることになり、該還元剤がＮＯx触媒４をすり抜けてしまうため、このような場合には劣化判定を行わない。

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本ルーチンを終了させる。

ステップＳ１０３では、ＮＯx触媒４の劣化判定用のリッチスパイク制御が行われる。すなわち、リッチの度合いが比較的大きな第１のリッチスパイク制御と、リッチの度合いが比較的小さな第２のリッチスパイク制御と、が連続して行われる。

ステップＳ１０４では、ステップＳ１０３のリッチスパイク制御の開始から所定時間が経過し、且つ、下流側ＮＯxセンサ８の検出値の最大値が閾値以上であるか否か判定される。この所定時間は、ＮＯx触媒４に吸蔵されていたＮＯxの還元が完了して、排気中のＮＯxと還元剤とが反応することで生成されるＮＨ_３量がＮＯx触媒４の劣化の度合いに応じた量となるまでに要する時間である。なお、この所定時間は予め実験等により最適値を求めておいてもよい。第２のリッチスパイク制御は、第１のリッチスパイク制御開始から所定時間が経過するまでは継続させる。また、閾値は、ＮＯx触媒４が劣化しているか否かの境となる検出値であり、予め設定しておく。

ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、ＮＯx触媒４は正常であると判定される。一方、ステップＳ１０４で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、ＮＯx触媒４は劣化していると判定される。なお、本実施例においてはステップＳ１０３からステップＳ１０６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１によれば、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを還元した後のＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことができる。また、第１のリッチスパイク制御において空燃比をより低くすることで、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを速やかに減少させることができる。これにより、ＮＯx触媒４の劣化判定を速やかに行うことができる。また、第２のリッチスパイク制御において還元剤の供給量を比較的少なくすることにより、ＮＨ_３が多量に生成されることを抑制できるため、大気中へＮＨ_３が放出されることを抑制できる。また、還元剤の消費量を低減することもできる。

本実施例２では、まず、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを還元するための第１のリッチスパイク制御を行う。次に、ＮＨ_３を生成するための第２のリッチスパイク制御を行う。第１のリッチスパイク制御と第２のリッチスパイク制御とでは、目標とする空燃比を同じにしてもよい。また、第２のリッチスパイク制御では、排気の空燃比がリッチとリーンとに交互に繰り返し変化するように還元剤の供給を複数回行う。さらに、第２のリッチスパイク制御において、１回当たりのリッチ空燃比とする時間を、第１のリッチスパイク制御時にリッチ空燃比とする時間よりも短くする。そして、第２のリッチスパイク制御実行中のＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行う。その他の装置については実施例１と同じため説明を省略する。

図７は、本実施例に係るリッチスパイク制御時の排気の空燃比とＮＯx触媒４よりも下流側のＮＨ_３濃度との関係を示した図である。ＮＨ_３濃度において実線は前記新品触媒の場合を示し、一点鎖線は前記正常触媒の場合を示し、二点鎖線は前記劣化触媒の場合を示している。還元剤を供給する前後はリーン空燃比である。また、第１のリッチスパイク制御では、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを還元するための通常の制御が行われる。このときには、排気の空燃比が例えば１４未満となるように還元剤を供給する。

一方、第２のリッチスパイク制御では第１のリッチスパイク制御と排気の空燃比は同じであっても良い。すなわち、排気の空燃比が例えば１４未満となるように還元剤を供給する。

第１のリッチスパイク制御は、主に、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを減少させるための制御である。ここで、ＮＯx触媒４が前記新品触媒の場合には、Ｐｔが劣化していないために還元反応が活発となり、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxがほとんどＮ_２へ還元される。このため、ＮＨ_３濃度は低くなる。これに対し、正常触媒及び劣化触媒の場合には、Ｐｔの劣化が進行しているため、ＮＯxからＮ_２への還元能力が低下する。このため、還元剤が過剰な状態となるため、ＮＨ_３濃度は高くなる。そして、第１のリッチスパイク制御時に検出されるＮＨ_３濃度は、新品触媒または正常触媒と、劣化触媒と、で差が小さい場合がある。したがって、第１のリッチスパイク制御時に検出されるＮＨ_３濃度を用いたＮＯx触媒４の劣化判定は行わない。なお、第１のリッチスパイク制御は、ＮＯx触媒４の劣化判定を行わないときにも行われるＮＯxを還元するための通常のリッチスパイク制御とすることができる。

なお、図７においては、第１のリッチスパイク制御終了から第２のリッチスパイク制御開始までに還元剤を供給しない期間が存在するため、この間にＮＯx触媒４にＮＯxが吸蔵される。また、第１のリッチスパイク制御終了時に、ＮＯx触媒４にＮＯxが残留している場合もある。このため、新品触媒では、第２のリッチスパイク制御開始時にＮＨ_３がほとんど検出されていない。

第２のリッチスパイク制御は、主に、ＮＨ_３を生成するための制御である。第１のリッチスパイク制御を実行した後にさらに還元剤を供給すると、ＮＯx触媒４にはＮＯxが吸蔵されていない状態となる。そして、さらに還元剤を供給すると、ＮＯx触媒４に流入する排気中に含まれるＮＯがＨ_２またはＨＣと反応してＮＨ_３が生成される。

ここで、ＮＯx触媒４が前記正常触媒の場合には、Ｐｔが劣化しているものの、排気中のＮＯxが還元剤と反応してＮＨ_３が多く生成される。一方、ＮＯx触媒４が前記劣化触媒の場合には、Ｐｔの表面積が小さくなることにより還元能力が低くなるため、ＮＨ_３の生成量が少なくなる。

また、ＮＯx触媒４が新品触媒の場合には、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxがなくなると、還元剤が過剰な状態となる。この還元剤がＮＯx触媒４に新たに流入するＮＯxと反応することでＮＨ_３が生成される。第２のリッチスパイク制御では、還元剤の供給が複数回行われるため、ＮＯx触媒４に吸蔵されていたＮＯxがなくなった後には、新品触媒へ還元剤を供給するたびにＮＨ_３が生成される。そして、還元剤の供給を繰り返し行うと、ＮＯx触媒４よりも下流へ流れ出るＮＨ_３の量が、新品触媒と劣化触媒とで逆転する。

そうすると、第１のリッチスパイク時においては、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことは困難であったが、第２のリッチスパイク時には、新品触媒におけるＮＨ_３生成量が増加するため、ＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことが可能となる。

たとえば、第２のリッチスパイク制御実行時に下流側ＮＯxセンサ８により検出されるＮＨ_３濃度の最大値が閾値以上のときにＮＯx触媒４は正常であり、閾値未満のときにＮＯx触媒４は劣化していると判定することができる。閾値は、ＮＯx触媒４が正常である場合と劣化している場合との境にあるときに検出されるＮＨ_３濃度の最大値とすることができる。

また、第２のリッチスパイク制御では、排気の空燃比を繰り返しリッチとリーンとに変化させるため、ＮＨ_３を複数回検出することができる。そして、ＮＨ_３を複数回検出することにより、ＮＯx触媒４の劣化判定の精度を高めることができる。

たとえば、第１のリッチスパイク制御が開始された時点から所定時間経過後に第２のリッチスパイク制御を開始し、該第２のリッチスパイク制御実行時に還元剤を供給するたびに下流側ＮＯxセンサ８により検出されるＮＨ_３濃度の極大値を記憶しておき、極大値が閾値以上となる回数が所定回数以上あれば、ＮＯx触媒４は正常であると判定できる。一方、ＮＨ_３濃度の極大値が閾値以上となる回数が所定回数未満であれば、ＮＯx触媒４は劣化していると判定することができる。このときの所定時間は、ＮＯx触媒４の吸蔵能力を回復させるために必要な時間であり、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを還元するために通常行われるリッチスパイク制御に要する時間としてもよい。

このように、第２のリッチスパイク制御時にＮＯx触媒４から流出するＮＨ_３の濃度を下流側ＮＯxセンサ８で検出すれば、ＮＯx触媒４の劣化を判定することができる。

図８は、本実施例に係るＮＯx触媒４の劣化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、所定の期間毎に実行される。なお、前記フロート同じ処理がなされるステップについては、同じ符号を付して説明を省略する。

ステップＳ２０１では、第１のリッチスパイク制御が実行される。本ステップでは、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxの量を低減させるために還元剤が供給される。

ステップＳ２０２では、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量の推定値（以下、推定ＮＯx吸蔵量ともいう。）が所定値以下であるか否か判定される。本ステップでは、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯx量が十分に減少したか否か判定している。ＮＯx触媒４に吸蔵されている実際のＮＯx量は、第１のリッチスパイク制御が開始されてからの経過時間に応じて減少するため、該経過時間と推定ＮＯx吸蔵量との関係をマップ化しておき、ＥＣＵ１０に記憶させておく。なお、第１のリッチスパイク制御が開始されてからの経過時間が所定時間以上であるときに、推定ＮＯx吸蔵量が所定値以下であると判定してもよい。さらに、周知の技術により推定ＮＯx吸蔵量を得ることもできる。

ステップＳ２０２で肯定判定がなされた場合にはステップＳ２０３へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ２０１へ戻る。

ステップＳ２０３では、第２のリッチスパイク制御が実行される。すなわち、第１のリッチスパイク制御よりも短い期間の還元剤供給を複数回繰り返し行う。繰り返す回数は、予め実験等により最適値を求めておくことができる。

ステップＳ２０４では、下流側ＮＯxセンサ８の検出値の極大値が閾値以上となる回数が所定回数以上であるか否か判定される。閾値及び所定回数は、ＮＯx触媒４が劣化しているか否かの境となる値であり、予め実験等により求めておく。複数回行われる還元剤供給の度に下流側ＮＯxセンサ８の検出値の極大値を記憶しておく。なお、ＮＯx触媒４の劣化が進行するにしたがって、複数回検出される極大値の中の最大値は小さくなり、また、前記極大値が閾値以上となる回数も減少する。このため、ＮＯx触媒４が正常であるか否かの境にあるときの前記最大値を閾値として設定しておき、下流側ＮＯxセンサ８の検出値の最大値が閾値以上であるか否か判定してもよい。

ステップＳ２０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、ＮＯx触媒４は正常であると判定される。一方、ステップＳ２０４で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進み、ＮＯx触媒４は劣化していると判定される。なお、本実施例においてはステップＳ２０１からステップＳ１０６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２によれば、ＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを還元した後のＮＨ_３濃度に基づいてＮＯx触媒４の劣化判定を行うことができる。また、第１のリッチスパイク制御においてＮＯx触媒４に吸蔵されているＮＯxを減少させることにより、第２のリッチスパイク制御を開始してから短時間でＮＯx触媒４の劣化判定が可能となる。また、第２のリッチスパイク制御において排気の空燃比をリッチとリーンとで複数回変動させることにより、ＮＯx触媒４の劣化判定の精度を高めることができる。

１内燃機関
２排気通路
４吸蔵還元型ＮＯx触媒
５噴射弁
７上流側ＮＯxセンサ
８下流側ＮＯx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触媒の劣化を判定する触媒劣化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ことで該吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を通過する排気の空燃比を変化させる供給装置と、
前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒よりも下流の排気中のＮＨ_３を検出する検出装置と、
前記供給装置から還元剤を供給するときに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て第１の還元剤供給及び第２の還元剤供給を順に行う制御装置と、
前記第１の還元剤供給の開始から、前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に吸蔵されていたＮＯｘの還元が完了して排気中のＮＯｘと還元剤とが反応することで生成されるＮＨ_３量が前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の劣化の度合いに応じた量となるまでに要する時間経過後で、且つ前記第２の還元剤供給の開始後において、前記検出装置の検出値に基づいて前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒が劣化しているか否かを判定する判定装置と、
を備える触媒劣化判定システム。
前記制御装置は、前記第２の還元剤供給時の排気の空燃比が、前記第１の還元剤供給時よりもリーン側で且つ理論空燃比よりもリッチ側となるように還元剤量を調節する請求項１に記載の触媒劣化判定システム。
前記制御装置は、前記第２の還元剤供給時に排気の空燃比がリッチとリーンとで変動するように還元剤の供給を複数回行い、該第２の還元剤供給時の１回当たりのリッチ空燃比となる期間を前記第１の還元剤供給時にリッチ空燃比となる期間よりも短くする請求項１に記載の触媒劣化判定システム。
前記判定装置は、前記検出装置の検出値が閾値以上のときに前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は正常であると判定する請求項１から３の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。
前記判定装置は、前記検出装置の検出値が閾値未満のときに前記吸蔵還元型ＮＯｘ触媒は劣化していると判定する請求項１から４の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。
前記検出装置は、排気中のＮＯｘ及びＮＨ_３を検出するＮＯｘセンサである請求項１から５の何れか１項に記載の触媒劣化判定システム。