Diagnostic apparatus for the NOx catalyst

この発明は、ＮＯｘ触媒の診断装置に関する。

ＮＯｘ触媒の下流に設置されたＮＯｘセンサの信号に基づいてＮＯｘ触媒に劣化が生じているか否かを判定するものがある（特許文献１参照）。

特開２０００−１０４５３６号公報

ところで、上記特許文献１の技術では、ＮＯｘ触媒の劣化判定を行うのにＮＯｘセンサを追加しなければならず、コストアップになる。

そこで本発明はＮＯｘセンサを設けることなくＮＯｘ触媒の劣化判定を可能にする装置を提供することを目的とする。

第１の発明は、ＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒の下流に位置して排気中のパティキュレートを捕集するフィルタとを備え、このフィルタに流入するパティキュレート量を算出し、前記フィルタに堆積しているパティキュレート量を推定し、これらフィルタに流入するパティキュレート量とフィルタに堆積しているパティキュレート量とに基づいて前記ＮＯｘ触媒に劣化が生じているか否かを判定するように構成する。

本発明によれば、ＮＯｘ触媒と、このＮＯｘ触媒の下流に位置して排気中のパティキュレートを捕集するフィルタとを備え、このフィルタに流入するパティキュレート量を算出し、前記フィルタに堆積しているパティキュレート量を推定し、これらフィルタに流入するパティキュレート量とフィルタに堆積しているパティキュレート量とに基づいて前記ＮＯｘ触媒に劣化が生じているか否かを判定するので、ＮＯｘセンサを追加することなくＮＯｘ触媒の劣化診断を行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１はエンジンの排気浄化装置の概略構成を示している。

図１においてディーゼルエンジン１は空気過剰率が１を超える領域で運転される、つま空気過剰な雰囲気で運転されるため、排気中にＮＯｘが多く含まれる。 また、エンジンの負荷が大きくなるほど燃料噴射量が多くなり空気の利用率が悪くなって排気中にパティキュレートが含まれてくる。

これらＮＯｘとパティキュレートとの浄化を目的として、ＮＯｘトラップ機能付きの三元触媒（以下単に「ＮＯｘ触媒」という。）３とフィルタ４とを排気通路２に上流側よりこの順に備えている。 このうちＮＯｘ触媒３は、排気の空燃比が理論空燃比よりもリーンであるときに排気中のＮＯｘを吸蔵し、排気の空燃比が理論空燃比または理論空燃比よりもリッチになったときには、前記吸蔵したＮＯｘを脱離すると共に、その脱離してくるＮＯｘを、空燃比の雰囲気中に多く存在するＨＣ、ＣＯを還元剤として還元浄化する触媒である。 ＮＯｘを還元浄化する際には三元触媒が働く。

フィルタ４は排気中のパティキュレートを捕集するものである。 例えばウォールハニカム型のものがある。 このものでは束状の各通路の両端が交互に目封じされ、各通路は濾過壁によって分離されており、この濾過壁を排気が必ず通過するように構成されている。 従って、浮遊粒子状物質であるパティキュレートはこの濾過壁を通過できないため、濾過膜によって捕集されることとなる。

このように排気通路２にＮＯｘ触媒３とフィルタ４とを有するエンジンの排気浄化装置を前提として本発明では、ＮＯｘセンサを設けることなくＮＯｘ触媒３の劣化判定を行う。 本発明でのＮＯｘ触媒３の劣化判定の考え方は次のようなものである。 エンジン１から排出されたＮＯｘはＮＯｘ触媒３で二酸化窒素ＮＯ ₂に酸化されこの二酸化窒素ＮＯ ₂が触媒に吸蔵される。 ところが、ＮＯｘ触媒３の劣化が進むと触媒に吸蔵される二酸化窒素ＮＯ ₂が減り、触媒から流出する二酸化窒素ＮＯ ₂の量が増加する。 一方、ＮＯｘ触媒３の下流に位置するフィルタ４では、排気温度が約４５０℃以下の温度域においてこの上流側より流れてくる二酸化窒素ＮＯ ₂を酸化剤として、フィルタ４に捕集されているパティキュレートの一部が酸化除去される。 フィルタ４に流入する二酸化窒素ＮＯ ₂ （ＮＯｘ触媒３から流出する二酸化窒素ＮＯ ₂ ）の量が増加すればフィルタ４において酸化除去されるパティキュレートの量が増加する。 これらの特性より、フィルタ４において酸化除去されたパティキュレートの量が多いほどＮＯｘ触媒３から流出する二酸化窒素ＮＯ ₂がの量が多い、つまりフィルタ４において酸化除去されたパティキュレートの量が所定値（判定閾値）を超えて多いときにはＮＯｘ触媒３が劣化していることを意味する。 このように、本発明はフィルタ４に流入するパティキュレート量とフィルタ４に堆積しているパティキュレート量とに基づいて、具体的にはフィルタ４へのパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値（演算値）と、フィルタ４のパティキュレート堆積量の前記一定時間当たりの増加量（実際値）とに基づいてＮＯｘ触媒３が劣化しているか否かを判定するものである。

このため、フィルタ４の上流に設けた排気温度センサ１２からの排気温度の信号、差圧センサ１３からのフィルタ４の前後差圧の信号が、エンジン回転速度センサ１４からの回転速度の信号、アクセルセンサ１５からのアクセル開度の信号と共に、エンジンコントロールユニット１１に入力され、エンジンコントロールユニット１１ではこれらの信号に基づいてＮＯｘ触媒３の劣化診断を行う。

エンジンコントロールユニット１１で実行されるこの制御の内容を図２のフローチャートを参照して詳述する。 図２のフローは経時的な処理の流れを示すもので一定時間毎に繰り返す処理を表していない。

ステップ１では、温度センサ１２により検出される排気温度Ｔｅｘを読込み、ステップ２でこの排気温度Ｔｅｘが、下限値Ａと上限値Ｂとの間の所定の温度域にあるか否かにより、ＮＯｘ触媒３から流出してくる二酸化窒素ＮＯ ₂により、フィルタ４に捕集されているパティキュレートが酸化除去される排気温度域になっているか否かの判定を行う。 また、ＮＯｘ触媒３の劣化前後での転換効率の差が大きい温度域で劣化診断が行われるように所定の温度域を設定する。 ＮＯｘ触媒３の劣化前後での転換効率の差が大きい温度域とするのは、ＮＯｘ触媒３の劣化診断精度を向上させるためである。 例えば上記の下限値Ａとしては約３００℃を、上記の上限値Ｂとしては約４５０℃を採用すればよい。

排気温度Ｔｅｘが所定の温度域（Ａ≦Ｔｅｘ≦Ｂ）になければステップ１、２に戻り、Ａ≦Ｔｅｘ≦Ｂの条件が成立するまで待機する。 排気温度Ｔｅｘが所定の温度域になるとＮＯｘ触媒３の劣化判定が可能であると判断しステップ３以降の操作に進む。

運転条件によっては、排気温度Ｔｅｘが所定の温度域に入らないことが考えられるが、この場合には、吸気通路に吸気絞り弁があれば、この吸気絞り弁を閉じることによって吸気絞りを行ったり、燃料噴射弁６の燃料噴射時期をリタードさせたりすること等によって排気温度が上記所定の温度域に収めるようにしてもよい。

ここでは、排気温度Ｔｅｘが当初は所定の温度域（Ａ≦Ｔｅｘ≦Ｂ）になかったものが、その後の運転条件の変更で排気温度Ｔｅｘが所定の温度域に入り、暫く（後述する一定時間Ｔ１よりも長く）所定の温度域に維持される場合を考える。

ステップ３、４では、排気温度Ｔｅｘが所定の温度域に入ったタイミングでのフィルタ４のパティキュレート堆積量Ｓ１を算出（推定）する。 すなわち、フィルタ４の前後差圧はフィルタ４のパティキュレート堆積量に依存しフィルタ４のパティキュレート堆積量が増えればフィルタ４の前後差圧が増加することを利用する。 ステップ３で差圧センサ１３により検出されるフィルタ４の前後差圧ΔＰ１を読込み、ステップ４でこの前後差圧ΔＰ１から図４を内容とするテーブルを検索することにより、排気温度Ｔｅｘが所定の温度域に入ったタイミングでのフィルタ４のパティキュレート堆積量Ｓ１を算出する。 この値は後述する一定時間が経過した後に必要となるので、メモリに記憶させておく。

ステップ５〜７では、ステップ２の条件が成立したタイミング（排気温度Ｔｅｘが所定の温度域に収まったタイミング）から一定時間が経過するタイミングまでの、フィルタ４へのパティキュレート（図では「ＰＭ」で略記。）流入量（エンジンからのパティキュレート排出量）の積算値を算出する。 具体的にはステップ５でそのときのエンジン回転速度と燃料噴射量とから図３を内容とするマップを検索することにより、パティキュレート流入量を算出し、これをステップ６で積算することによってパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅを算出する。 上記の燃料噴射量は、図示しないフローにおいて、エンジン回転速度センサ１４により検出されるエンジン回転速度と、アクセルセンサ１５により検出されるアクセル開度から、所定のマップを検索することにより算出されている。

ステップ７では、ステップ２の条件が成立したタイミングから一定時間Ｔ１が経過したか否かをみる。 ステップ２の条件が成立したタイミングから一定時間Ｔ１が経過していなければステップ５、６に戻ってステップ５、６の操作を繰り返す。 すなわち、制御周期当たり（例えば１０ｍｓ当たり）のパティキュレート流入量をマップにして作成しておき、ステップ５、６の操作を制御周期毎（例えば１０ｍｓ毎）に繰り返すようにしておけば、その作成したマップ（図３のマップ）を検索することにより、制御周期当たりのパティキュレート流入量を算出することができ、この制御周期当たりのパティキュレート流入量を制御周期毎に積算することによってステップ２の条件が成立してから一定時間Ｔ１が経過するまでのパティキュレート流入量の積算値Ｖｅを算出することができる。

ステップ２の条件が成立してから一定時間Ｔ１が経過したときには、このようにして算出される一定時間当たりの積算値Ｖｅに相当するパティキュレートがフィルタ４に新たに捕集されるため、フィルタのパティキュレート堆積量が一定時間Ｔ１が経過する前より増加しているはずである。 しかしながら、ＮＯｘ触媒３から流出してくる二酸化窒素ＮＯ ₂によってフィルタ４に捕集されているパティキュレートの一部が酸化除去されて消失するので、フィルタ４のパティキュレート堆積量の一定時間当たりの増加量Ｖｒ（実際値）は実際には上記の積算値（演算値）より少なくなる。

そこで、ステップ２の条件が成立してから一定時間Ｔ１が経過したときには、ステップ７よりステップ８、９、１０に進み、フィルタ４のパティキュレート堆積量の、ステップ２の条件が成立してから一定時間Ｔ１経過後の増加量Ｖｒを算出する。 すなわち、ステップ８で差圧センサ１３により検出されるフィルタ４の前後差圧ΔＰ２を読込み、ステップ９でこの前後差圧ΔＰ２から図４を内容とするテーブルを検索することにより、一定時間Ｔ１経過後のフィルタ４のパティキュレート堆積量Ｓ２を算出（推定）し、この一定時間経過後のパティキュレート堆積量Ｓ１から上記のパティキュレート堆積量Ｓ１（一定時間経過前のパティキュレート堆積量）を差し引いた値を、フィルタ４のパティキュレート堆積量の一定時間Ｔ１当たりの増加量Ｖｒ（＝Ｓ２−Ｓ１）として算出（推定）する。

ステップ１１では、ステップ６で求めているパティキュレート流入量の一定時間Ｔ１当たりの積算値Ｖｅから図５を内容とするテーブルを検索することにより、劣化判定閾値Ｃを算出する。 これは、パティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅの相違で二酸化窒素ＮＯ ₂により酸化除去されるパティキュレートの量が変化し、パティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅが多いほうがパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅが少ない場合より酸化除去されるパティキュレートの量が大きくなるので、パティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅに応じて劣化判定閾値Ｃを変化させるようにしたものである。

フィルタ４へのパティキュレート流入量の一定時間Ｔ１当たりの積算値Ｖｅと、フィルタ４のパティキュレート堆積量の一定時間当たりの増加量Ｖｒとの差分ΔＰＭ（＝Ｖｅ−Ｖｒ）を算出すると、その差分ΔＰＭは、ＮＯｘ触媒３から流出してくる二酸化窒素ＮＯ ₂の量に依存する。 そして、ＮＯｘ触媒３が劣化するほど、ＮＯｘ触媒３より流出する二酸化窒素ＮＯ ₂の量が多くなり、その差分ΔＰＭが大きくなる。 従って、差分ΔＰＭと判定閾値Ｃとを比較すれば、差分ΔＰＭが判定閾値Ｃ以下に収まっているときＮＯｘ触媒３は劣化していないと、これに対して差分ΔＰＭが判定閾値Ｃを超えて大きくなっているときＮＯｘ触媒３に劣化が生じていると判断することができる。 そこで、ステップ１２で差分ΔＰＭと判定閾値Ｃとを比較し、差分ΔＰＭが判定閾値Ｃを超えているときにはＮＯｘ触媒３に劣化が生じていると判断しステップ１３に進んで触媒劣化フラグ（始動時にゼロに初期設定）＝１とし、これに対して差分ΔＰＭが判定閾値Ｃ以下であればステップ１２よりステップ１４に進んで触媒劣化フラグ＝０とする。

ステップ２の条件の成立時において、いまＮＯｘ触媒３が新品でかつ基準のパティキュレート流入量積算値Ｄのときに図２のフローを実行すると、差分ΔＰＭはゼロでない所定値Ｃｉｎｉになる。 これは、ＮＯｘ触媒３の新品時にもＮＯｘ触媒３より二酸化窒素ＮＯ ₂が少しは流出し、その流出してきた二酸化窒素ＮＯ ₂でフィルタ４に堆積しているパティキュレートの一部が酸化処理されるため、パティキュレート流入量の一定時間当たり積算値Ｖｅ（演算値）よりもパティキュレート堆積量の一定時間当たり増加量Ｖｒのほうが小さくなるためである。 従って、所定値Ｃｉｎｉに許容値εを加算した値を基準判定閾値Ｃ０として定めておけば、差分ΔＰＭがこの基準判定閾値Ｃ０を超えて大きくなったとき、ＮＯｘ触媒３に劣化が生じたと判断することができる。

ただし、判定閾値Ｃ０がＮＯｘ触媒３の劣化判定を精度良く行うことができるのは、基準のパティキュレート流入量積算値Ｄのときだけであり、運転条件の相違でパティキュレート流入量の一定時間当たり積算値Ｖｅがこの基準のパティキュレート流入量積算値Ｄを外れたときには、判定閾値が不適切になる。 そこで、図５に示したように、パティキュレート流入量の一定時間当たり積算値Ｖｅが基準のパティキュレート流入量積算値Ｄを外れて大きくなったときには判定閾値Ｃを基準判定閾値Ｃ０よりも大きくし、これに対してパティキュレート流入量の一定時間当たり積算値Ｖｅが基準のパティキュレート流入量積算値Ｄを外れて小さくなったときには判定閾値Ｃを基準判定閾値Ｃ０よりも小さくすることで、パティキュレート流入量の一定時間当たり積算値Ｖｅが基準のパティキュレート流入量積算値Ｄより外れた場合においても、精度良く触媒劣化診断を行うことができる。

上記の一定時間Ｔ１は長くするほど触媒劣化診断の精度がよくなるが、その反面で触媒劣化診断の機会が少なくなる。 一方、一定時間Ｔ１を短くすると触媒劣化診断の機会は増すものの触媒劣化診断の精度が低下する。 従って、一定時間Ｔ１は適合により定める。

ここで、本実施形態の作用効果を説明する。

本実施形態（請求項１、２に記載の発明）によれば、ＮＯｘ触媒３と、このＮＯｘ触媒３の下流に位置して排気中のパティキュレートを捕集するフィルタ４とを備え、フィルタ４へのパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅ（フィルタに流入するパティキュレート量）を算出し、フィルタ４のパティキュレート堆積量の一定時間当たりの増加量Ｖｒ（フィルタに堆積しているパティキュレート量）を推定し、これらフィルタ４へのパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅとフィルタ４のパティキュレート堆積量の一定時間当たりの増加量Ｖｒとに基づいてＮＯｘ触媒３に劣化が生じているか否かを判定するので（図２のステップ３〜１０、１２〜１３参照）、ＮＯｘセンサを追加することなくＮＯｘ触媒３の劣化診断を行うことができる。

本実施形態（請求項３に記載の発明）によれば、劣化判定手段は、フィルタ４へのパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅとフィルタ４のパティキュレート堆積量の一定時間当たりの増加量Ｖｒとの差分ΔＰＭ（＝Ｖｅ−Ｖｒ）を算出し、その差分ΔＰＭが判定閾値Ｃより大きくなったときにＮＯｘ触媒３に劣化が生じていると判定するので（図２のステップ３〜１０、１２〜１４参照）、運転条件によってフィルタ４へのパティキュレート流入量の一定時間当たり積算値Ｖｅが変化しても、精度良くＮＯｘ触媒３の劣化を判定できる。

本実施形態（請求項４に記載の発明）によれば、判定閾値Ｃをパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅに応じて決定するので（図２のステップ１１、図５参照）、運転条件によりパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅが相違しても、触媒劣化を精度良く判定できる。

ＮＯｘ触媒３の転換効率がＮＯｘ触媒３の劣化前後でほとんど変化しない排気温度域やＮＯｘ触媒３より流出してくる二酸化窒素ＮＯ ₂によりフィルタ４に堆積しているパティキュレートの酸化除去が行われない温度域ではフィルタ４へのパティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅとフィルタ４のパティキュレート堆積量の一定時間当たりの増加量Ｖｒとの差分ΔＰＭがＮＯｘ触媒３の劣化前後で変わらず、従ってＮＯｘ触媒３に劣化が既に生じているのに劣化が生じていないとの誤判定が生じかねないのであるが、本実施形態（請求項６に記載の発明）によれば、パティキュレート流入量の一定時間当たりの積算値Ｖｅの算出とパティキュレート堆積量の一定時間当たりの増加量の推定とを行う所定の温度域は、ＮＯｘ触媒３の転換効率がＮＯｘ触媒３の劣化前後で大きく（顕著に）変化する排気温度域でかつＮＯｘ触媒３より流出してくる二酸化窒素ＮＯ ₂によりフィルタ４に堆積しているパティキュレートの一部の酸化除去が行われる温度域であるので、触媒劣化を精度良く判定できる。

請求項１の算出手段の機能は図２のステップ５〜７により、推定手段の機能は、図２のステップ３、４、７、８、９、１０によりそれぞれ果たされている。

本発明の第１実施形態のエンジンの排気浄化装置の概略構成図。

触媒劣化判定を説明するためのフローチャート。

制御周期当たりのパティキュレート流入量の特性図。

フィルタのパティキュレート堆積量の特性図。

判定閾値の特性図。

符号の説明

１ エンジン ２ 排気通路 ３ ＮＯｘ触媒 ４ フィルタ １１ エンジンコントロールユニット