(57)【要約】      （修正有）【課題】選択還元型触媒の劣化を精度高く検出することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒４４と、選択還元型触媒４４の上流側および下流側における排気中のアンモニアの濃度を取得する取得部１１，６２と、選択還元型触媒４４が劣化しているか否か判定する判定部１１と、を具備し、判定部１１は、選択還元型触媒４４の温度が第１の温度である場合における上流側のアンモニアの濃度および下流側のアンモニアの濃度、ならびに選択還元型触媒４４の温度が第１の温度よりも高い第２の温度である場合における上流側のアンモニアの濃度および下流側のアンモニアの濃度に基づき選択還元型触媒４４が劣化しているか否か判定する。【選択図】図１
2020143631.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒と、
前記選択還元型触媒の上流側および下流側における排気中のアンモニアの濃度を取得する取得部と、
前記選択還元型触媒が劣化しているか否か判定する判定部と、を具備し、
前記判定部は、前記選択還元型触媒の温度が第１の温度である場合における前記上流側のアンモニアの濃度および前記下流側のアンモニアの濃度、ならびに前記選択還元型触媒の温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度である場合における前記上流側のアンモニアの濃度および前記下流側のアンモニアの濃度に基づき前記選択還元型触媒が劣化しているか否か判定する内燃機関の排気浄化装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関から発生する排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化するために、例えば選択型還元型触媒（ＳＣＲ触媒：Selective Catalytic Reduction）などの触媒が用いられている。内燃機関の排気通路には、添加剤（尿素水）を添加する添加弁、および添加弁よりも下流側に位置するＳＣＲ触媒が設けられる。添加弁から排気に尿素水を添加し、尿素水からアンモニア（ＮＨ３）が発生する。ＳＣＲ触媒はＮＯｘを吸着し、アンモニアと還元反応させることで窒素と水に分解し、ＮＯｘを浄化する。アンモニアの一部はＳＣＲ触媒から下流側に流出する。ＳＣＲ触媒から流出するアンモニアおよびＮＯｘの量からＳＣＲ触媒の劣化を判定する技術が知られている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−１９７０８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし触媒の劣化判定において誤判定が発生する恐れがある。そこで、選択還元型触媒の劣化を精度高く検出することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記目的は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒と、前記選択還元型触媒の上流側および下流側における排気中のアンモニアの濃度を取得する取得部と、前記選択還元型触媒が劣化しているか否か判定する判定部と、を具備し、前記判定部は、前記選択還元型触媒の温度が第１の温度である場合における前記上流側のアンモニアの濃度および前記下流側のアンモニアの濃度、ならびに前記選択還元型触媒の温度が前記第１の温度よりも高い第２の温度である場合における前記上流側のアンモニアの濃度および前記下流側のアンモニアの濃度に基づき前記選択還元型触媒が劣化しているか否か判定する内燃機関の排気浄化装置によって達成できる。
【発明の効果】
【０００６】
選択還元型触媒の劣化を精度高く検出することが可能な内燃機関の排気浄化装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】図１は排気浄化装置を例示する模式図である。
【図２】図２（ａ）および図２（ｂ）はアンモニアスリップ率を示す図である。
【図３】図３（ａ）はアンモニアスリップ率と触媒温度との関係を示す図である。図３（ｂ）はＮＯｘスリップ率と触媒温度との関係を示す図である。
【図４】図４（ａ）および図４（ｂ）はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。
【図５】図５はＥＣＵが実行する制御を例示するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、図面を参照して本実施形態の内燃機関の排気浄化装置について説明する。図１は排気浄化装置１００を例示する模式図である。図１は排気浄化装置１００を例示する模式図である。図１に示すように、排気浄化装置１００はエンジン１０（内燃機関）に適用され、ＥＣＵ１１、酸化触媒（ＤＯＣ：Diesel Oxidation Catalyst）４０および４８、フィルタ（ＤＰＦ：Diesel Particulate Filter）４２、ＳＣＲ触媒４４、添加弁５０、分散板５４、温度センサ６０、およびガスセンサ６２を備える。
【０００９】
エンジン１０は例えば４つの気筒＃１〜＃４を有する四気筒のディーゼルエンジンであり、車両に搭載される。エンジン１０の気筒＃１〜＃４はインテークマニホールド２２およびエキゾーストマニホールド２４に接続されている。インテークマニホールド２２の上流側には吸気通路２０が接続されている。エキゾーストマニホールド２４の下流側に排気通路２６が接続されている。
【００１０】
吸気通路２０には、上流側から順に、エアフロ―メータ２１、ターボチャージャ３６のコンプレッサ３６ａ、インタークーラ２５およびスロットルバルブ３０が設けられている。エアフロ―メータ２１は吸入される空気量を測定する。コンプレッサ３６ａが回転することで吸気を過給する。インタークーラ２５は吸気を冷却する。スロットルバルブ３０の開度により吸気の流量を調整する。吸気はインテークマニホールド２２を通じて気筒＃１〜＃４に導入される。
【００１１】
各気筒には燃料噴射弁１２およびグロープラグ１４が設けられている。燃料噴射弁１２はコモンレール１８に接続されている。ポンプ１６からコモンレール１８へと高圧の燃料が供給され、燃料噴射弁１２が開弁すると燃料が気筒内に噴射される。気筒内で圧縮された燃料と空気との混合気が点火する。燃焼で発生する排気はエキゾーストマニホールド２４および排気通路２６を通じて排出される。排気が流れることでタービン３６ｂおよびコンプレッサ３６ａが回転する。
【００１２】
インテークマニホールド２２とエキゾーストマニホールド２４とはＥＧＲ通路２８により接続されている。排気の一部はＥＧＲ通路２８を通りインテークマニホールド２２内の吸入空気に合流する。ＥＧＲ通路２８にはＥＧＲバルブ３２およびＥＧＲクーラ３４が設けられている。ＥＧＲバルブ３２の開度を調整することでＥＧＲ通路２８内の排気の循環量が調整される。ＥＧＲクーラ３４はＥＧＲ通路２８内の排気の温度を低下させる。
【００１３】
排気通路２６には上流側から順にターボチャージャ３６のタービン３６ｂ、空燃比センサ５１、酸化触媒４０、フィルタ４２、添加弁５０、温度センサ６０、分散板５４、ＳＣＲ触媒４４、ガスセンサ６２、および酸化触媒４８が設けられている。
【００１４】
酸化触媒４０は排気中のＨＣを酸化する。フィルタ４２は例えば多孔質のセラミックなどで排気中のＰＭ（微粒子物質）を捕集する。フィルタ４２にはＰＭの酸化を促進する触媒が担持されてもよい。排気の温度を上昇させることで、フィルタ４２の再生処理が可能である。
【００１５】
フィルタ４２より下流側にＳＣＲ触媒４４および酸化触媒４８が設けられている。ＳＣＲ触媒４４は例えば銅ゼオライト触媒であり、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを還元浄化する。
【００１６】
ＳＣＲ触媒４４に還元剤を供給するために、添加弁５０が用いられる。添加弁５０にはタンク５２から尿素水が供給される。添加弁５０は、排気通路２６のＳＣＲ触媒４４より上流側に尿素水を噴射する。尿素水は分散板５４に衝突し、分散される。尿素水が排気の熱により加水分解されることでアンモニアが発生する。アンモニアは下流側のＳＣＲ触媒４４に吸着される。アンモニアを還元剤としてＮＯｘは還元浄化され、窒素（Ｎ２）および水（Ｈ２Ｏ）に分解される。アンモニアは分散板５４により霧化するため、ＳＣＲ触媒４４の浄化効率が向上する。酸化触媒４８は排気中のアンモニアを酸化する。このためアンモニアの大気への放出は抑制される。
【００１７】
空燃比センサ５１は空燃比を検出し、かつ排気中のＮＯｘ濃度を検出する。温度センサ６０は排気の温度を測定する。ガスセンサ６２は、ＳＣＲ触媒４４よりも下流側における排気中のアンモニア濃度およびＮＯｘ濃度を検出する。
【００１８】
ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）等の記憶装置を備え、記憶装置に記憶されたプログラムを実行することにより各種制御を行う。ＥＣＵ１１は燃料噴射、添加弁５０からの尿素水の噴射、スロットルバルブ３０およびＥＧＲバルブ３２の開度を制御する。
【００１９】
ＥＣＵ１１は、エアフロ―メータ２１から吸気の流量を取得し、温度センサ６０から排気温度を取得し、排気温度に基づきＳＣＲ触媒４４の温度を推定する。ＥＣＵ１１は、ガスセンサ６２からＳＣＲ触媒４４より下流側における排気中のアンモニア濃度およびＮＯｘ濃度を取得する。ＥＣＵ１１は、エアフロ―メータ２１が検出する空気量に基づき排気の流量を取得し、排気の流量および尿素水の添加量に基づいてＳＣＲ触媒４４より上流側のアンモニア濃度を取得する。
【００２０】
前述のようにＳＣＲ触媒４４においてアンモニアは排気中のＮＯｘと反応するが、アンモニアの一部はＳＣＲ触媒４４の下流側に流出し、また別の一部は酸化してＮＯｘになり下流側に流出する。ＥＣＵ１１はガスセンサ６２からアンモニア濃度およびＮＯｘ濃度を取得し、それらに基づき以下の式（１）を用いてアンモニアスリップ率を算出し、式（２）を用いてＮＯｘスリップ率を算出する。
アンモニアスリップ率＝（ＳＣＲ触媒４４の下流側のアンモニア濃度）／（ＳＣＲ触媒４４の上流側のアンモニア濃度）×１００    （１）
ＮＯｘスリップ率＝（ＳＣＲ触媒４４の下流側のＮＯｘ濃度）／（ＳＣＲ触媒４４の上流側のアンモニア濃度）×１００    （２）
【００２１】
アンモニアスリップ率およびＮＯｘスリップ率は、温度およびＳＣＲ触媒４４の状態に応じて変化する。ＥＣＵ１１は、アンモニアスリップ率に基づきＳＣＲ触媒４４が劣化しているか否か判定する判定部として機能する。
【００２２】
図２（ａ）および図２（ｂ）はアンモニアスリップ率を示す図であり、図２（ａ）は触媒温度がＴ１の例であり、図２（ｂ）は触媒温度がＴ１より例えば１００℃高いＴ２の例である。それぞれの図において、左から順に、新品のＳＣＲ触媒４４、正常なＳＣＲ触媒４４、劣化したＳＣＲ触媒４４におけるアンモニアスリップ率を示す。なお、正常なＳＣＲ触媒４４とは、排気の浄化が可能なものである。劣化したＳＣＲ触媒４４とは、排気の浄化が困難な程度にまで劣化した、異常な触媒（ＮＧ品）である。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、温度Ｔ１において、新品のアンモニアスリップ率はＸ１であり、正常なＳＣＲ触媒４４のアンモニアスリップ率はＸ２でありＸ１より高い。劣化したＳＣＲ触媒４４のアンモニアスリップ率はＸ３でありＸ２より高い。Ｘ２およびＸ３は例えばＸ１の５倍以上である。
【００２４】
図２（ｂ）に示すように、温度Ｔ２において、新品のアンモニアスリップ率はＸ４であり、例えば図２（ａ）のＸ１と同程度である。正常なＳＣＲ触媒４４のアンモニアスリップ率はＸ５でありＸ４より高く、図２（ａ）のＸ２より低い。劣化したＳＣＲ触媒４４のアンモニアスリップ率はＸ６でありＸ４よりわずかに高く、Ｘ５の１／５程度である。
【００２５】
図３（ａ）はアンモニアスリップ率と触媒温度との関係を示す図である。横軸は触媒温度を表しＴ０からＴ３にかけて高温になる。縦軸はアンモニアスリップ率を表す。円は新品のＳＣＲ触媒４４、四角は正常なＳＣＲ触媒４４、三角は劣化したＳＣＲ触媒４４、それぞれにおけるアンモニアスリップ率を示す。
【００２６】
図３（ａ）に示すように、いずれのＳＣＲ触媒でも、アンモニアスリップ率は温度が高くなるほど低下する。劣化したＳＣＲ触媒４４のアンモニアスリップ率は、正常なＳＣＲ触媒４４に比べ、温度上昇に伴い大幅に低下し、特に温度Ｔ１からＴ２にかけて急激に低下する。
【００２７】
図３（ｂ）はＮＯｘスリップ率と触媒温度との関係を示す図である。横軸は触媒温度を表し、縦軸はＮＯｘスリップ率を表す。円は新品のＳＣＲ触媒４４、四角は正常なＳＣＲ触媒４４、三角は劣化したＳＣＲ触媒４４、それぞれにおけるＮＯｘスリップ率を示す。図３（ｂ）に示すように、新品のＳＣＲ触媒４４のＮＯｘスリップ率はどの温度でも同程度である。正常なＳＣＲ触媒４４および劣化したＳＣＲ触媒４４のＮＯｘスリップ率は、温度とともに上昇する。劣化したＳＣＲ触媒４４のＮＯｘスリップ率は、正常なＳＣＲ触媒４４に比べ、温度上昇に伴い大きく増加する。劣化したＳＣＲ触媒４４では、正常なＳＣＲ触媒４４に比べて、高温において多くのアンモニアが酸化されてＮＯｘになり、こうしたＮＯｘがＳＣＲ触媒４４から流出すると考えられる。このため、アンモニアスリップ率が低下しＮＯｘスリップ率が上昇する。
【００２８】
図４（ａ）および図４（ｂ）はＥＣＵ１１が実行する制御を例示するフローチャートであり、図４（ａ）はアンモニアスリップ率算出の制御、図４（ｂ）はＳＣＲ触媒４４の劣化判定の制御である。ＥＣＵ１１は、例えば図３（ａ）のＴ０〜Ｔ３などのように複数の温度において図４（ａ）の制御を行うことでアンモニアスリップ率を算出した後、図４（ｂ）の制御により劣化判定を行う。
【００２９】
図４（ａ）に示すように、ＥＣＵ１１は、温度センサ６０が検出する排気温度に基づきＳＣＲ触媒４４の温度を取得する（ステップＳ１０）。ＥＣＵ１１は、添加弁５０から尿素水を噴射し、排気の流量および尿素水の添加量に基づいてＳＣＲ触媒４４の上流側のアンモニア濃度を取得し、さらにガスセンサ６２からＳＣＲ触媒４４の下流側のアンモニア濃度を取得する（ステップＳ１２）。ＥＣＵ１１は、上述の式（１）を用いてアンモニアスリップ率を算出し（ステップＳ１４）、温度と関連付けて記憶する。以上で制御は終了する。
【００３０】
図４（ｂ）に示すように、ＥＣＵ１１は、異なる温度におけるアンモニアスリップ率の差としてアンモニアスリップ率の変化量ΔＸを算出する（ステップＳ２０）。ＥＣＵ１１は、変化量ΔＸが所定値Ｘｔｈ以上であるか否かを判定する（ステップＳ２２）。否定判定（Ｎｏ）の場合、ＥＣＵ１１はＳＣＲ触媒４４が正常であると判定する（ステップＳ２４）。肯定判定（Ｙｅｓ）の場合、ＥＣＵ１１はＳＣＲ触媒４４が劣化していると判定する（ステップＳ２６）。
【００３１】
例えば、ＥＣＵ１１は、温度Ｔ１とＴ２とにおいてアンモニアスリップ率を取得し、これらの差（変化量ΔＸ）を算出する。図３（ａ）の四角で示すように温度間での変化量ΔＸが小さければ、ＥＣＵ１１はＳＣＲ触媒４４が正常と判定する。図３（ａ）の三角で示すように変化量ΔＸが大きければ、ＥＣＵ１１はＳＣＲ触媒４４が劣化したと判定する。
【００３２】
本実施形態によれば、ＥＣＵ１１は、複数の温度におけるＳＣＲ触媒４４の上流側および下流側のアンモニア濃度に基づき、ＳＣＲ触媒４４が劣化しているか否か判定する。具体的に、ＥＣＵ１１は、低温における上流側および下流側のアンモニア濃度の比率（アンモニアスリップ率）と、高温におけるアンモニアスリップ率との間の変化量が大きければＳＣＲ触媒４４が劣化していると判定する。温度変化に伴うアンモニアスリップ率の変化を用いることで、ＳＣＲ触媒４４の劣化を精度高く検出することが可能である。
【００３３】
（変形例）
図５はＥＣＵ１１が実行する制御を例示するフローチャートであり、変形例におけるアンモニアスリップ率算出の制御を示す。図５に示すように、ＥＣＵ１１はフューエルカットを行い、燃料噴射弁１２からの燃料噴射を停止する（ステップＳ９）。ＥＣＵ１１は、フューエルカット状態においてアンモニアスリップ率を算出する。図４（ｂ）の劣化判定の制御は変形例でも実施される。
【００３４】
変形例によれば、フューエルカット時にアンモニアスリップ率を算出するため、排気中のＮＯｘ、ＣＯおよびＨＣなどのアンモニアスリップ率への影響を抑制することができる。したがって劣化判定の精度が向上する。
【００３５】
以上本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【符号の説明】
【００３６】
１０                エンジン
１１                ＥＣＵ
１２                燃料噴射弁
１４                グロープラグ
１６                ポンプ
１８                コモンレール
２０                吸気通路
２２                インテークマニホールド
２４                エキゾーストマニホールド
２５                インタークーラ
２６                排気通路
３０                スロットルバルブ
３２                ＥＧＲバルブ
３４                ＥＧＲクーラ
３６                ターボチャージャ
３６ａ              コンプレッサ
３６ｂ              タービン
４０、４８          酸化触媒
４２                フィルタ
４４                ＳＣＲ触媒
５０                添加弁
５１、６０          温度センサ
５２                タンク
５４                分散板
６２                ガスセンサ
１００              排気浄化装置
【図１】
2020143631.tif 000003
【図２】
2020143631.tif 000004
【図３】
2020143631.tif 000005
【図４】
2020143631.tif 000006
【図５】
2020143631.tif 000007