(57)【要約】【課題】ＮＯｘ吸着能を有する触媒の下流側に配置されたＮＯｘセンサの故障診断の機会を適切に確保できるようにした内燃機関の排気浄化装置を提供する。【解決手段】内燃機関１０の排気浄化装置は、排気通路１６に配置されＮＯｘ吸着能を有する触媒２０と、触媒２０の下流側において排気通路１６に配置されたＮＯｘセンサ２２と、ＮＯｘセンサ２２の故障診断を行う故障診断装置（ＥＣＵ３０）と、触媒２０に未燃燃料を供給する装置（燃料添加弁１８）とを備える。故障診断装置は、触媒２０の温度が、触媒２０からＮＯｘが脱離し得る所定温度範囲ΔＴ内にある場合に、未燃燃料の供給によりＮＯｘを触媒２０から脱離させた後に、ＮＯｘセンサ２２の故障診断を行うように構成されている。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気通路に配置され、ＮＯｘ吸着能を有する触媒と、
前記触媒の下流側において前記排気通路に配置されたＮＯｘセンサと、
前記ＮＯｘセンサの故障診断を行う故障診断装置と、
前記触媒に未燃燃料を供給する装置と、
を備え、
前記故障診断装置は、前記触媒の温度が、前記触媒からＮＯｘが脱離し得る所定温度範囲内にある場合に、前記未燃燃料の供給によりＮＯｘを前記触媒から脱離させた後に、前記ＮＯｘセンサの故障診断を行うように構成されている
ことを特徴と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】
この発明は、内燃機関の排気浄化装置に関し、より詳細には、ＮＯｘ吸着能を有する触媒を備える内燃機関の排気浄化装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１には、内燃機関の排気浄化装置が開示されている。この排気浄化装置は、排気通路に配置された酸化触媒と、酸化触媒の下流側において排気通路に配置されたＮＯｘセンサとを備えている。この排気浄化装置では、ＮＯｘセンサの故障判定が行われる。ただし、この故障判定は、酸化触媒から脱離するＮＯｘの存在に起因する誤判定を避けるために、酸化触媒から脱離するＮＯｘの量が所定量以上となる場合には停止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１４−２２７８７９号公報
【特許文献２】特開２０１４−１８１６６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の排気浄化装置によれば、ＮＯｘセンサの故障判定を行う機会を十分に確保できなくなる可能性がある。
【０００５】
本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、ＮＯｘ吸着能を有する触媒の下流側に配置されたＮＯｘセンサの故障診断の機会を適切に確保できるようにした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】
【０００６】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、
排気通路に配置され、ＮＯｘ吸着能を有する触媒と、
前記触媒の下流側において前記排気通路に配置されたＮＯｘセンサと、
前記ＮＯｘセンサの故障診断を行う故障診断装置と、
前記触媒に未燃燃料を供給する装置と、
を備える。
前記故障診断装置は、前記触媒の温度が、前記触媒からＮＯｘが脱離し得る所定温度範囲内にある場合に、前記未燃燃料の供給によりＮＯｘを前記触媒から脱離させた後に、前記ＮＯｘセンサの故障診断を行うように構成されている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ＮＯｘセンサの故障診断に先立ち、酸化触媒にＮＯｘが吸着されていない状態を強制的に作り出すことにより、故障診断の機会を増やすことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置のシステム構成例を説明するための図である。
【図２】図１に示す触媒のＮＯｘの吸着特性を表した図である。
【図３】ＮＯｘセンサの故障診断に関する課題を説明するためのタイムチャートである。
【図４】本発明の実施の形態に係るＮＯｘ脱離制御を伴うＮＯｘセンサの故障診断の実行例を表したタイムチャートである。
【図５】本発明の実施の形態においてＥＣＵ（故障診断装置）が行う処理に関するルーチンを示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。ただし、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【００１０】
１．システム構成例
図１は、本発明の実施の形態に係る内燃機関の排気浄化装置のシステム構成例を説明するための図である。図１に示すシステムは、圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）１０を備えている。内燃機関１０は、例えば、車両に搭載される。また、本発明の対象となる内燃機関は、圧縮着火式の内燃機関に代え、火花点火式の内燃機関（例えば、ガソリンエンジン）であってもよい。
【００１１】
内燃機関１０の各気筒１２には、吸気通路１４及び排気通路１６が連通している。排気通路１６（より詳細には、排気マニホールド）には、排気通路１６内に燃料を噴射する燃料添加弁１８が配置されている。燃料添加弁１８は、本発明に係る「触媒に未燃燃料を供給する装置」の一例に相当する。
【００１２】
燃料添加弁１８よりも下流側の排気通路１６には、触媒２０が配置されている。触媒２０は、一例として、酸化触媒（DOC: Diesel Oxidation Catalyst）である。燃料添加弁１８によれば、触媒２０を昇温或いは還元させる必要のあるときに、触媒２０に燃料（ＨＣ、ＣＯ）を供給することができる。
【００１３】
触媒２０よりも下流側の排気通路１６には、ＮＯｘセンサ２２が取り付けられている。ＮＯｘセンサ２２は、排気通路１６を流れる排気のＮＯｘ濃度に応じた信号を出力する。触媒２０には、触媒温度センサ２４が取り付けられている。触媒温度センサ２４は、触媒温度（以下、「ＤＯＣ床温」とも称する）に応じた信号を出力する。また、各気筒１２には、気筒１２内に燃料を噴射する燃料噴射弁２６が設置されている。なお、吸気通路１４には、電子制御式のスロットル２８が配置されている。
【００１４】
図１に示すシステムは、さらに電子制御ユニット（ＥＣＵ）３０を備えている。ＥＣＵ３０には、ＮＯｘセンサ２２及び触媒温度センサ２４とともに、内燃機関１０に搭載された各種センサが電気的に接続されている。また、ＥＣＵ３０には、燃料添加弁１８、燃料噴射弁２６及びスロットル２８などの内燃機関１０の運転を制御するための各種アクチュエータが電気的に接続されている。
【００１５】
ＥＣＵ３０は、プロセッサ、メモリおよび入出力インターフェースを備えている。入出力インターフェースは、上記の各種センサからセンサ信号を取り込むとともに、上記の各種アクチュエータに対して操作信号を出力する。メモリには、各種アクチュエータを制御するための各種の制御プログラムおよびマップが記憶されている。プロセッサは、制御プログラムをメモリから読み出して実行する。その結果、ＥＣＵ３０は、内燃機関の制御装置として機能する。また、以下に説明するように、ＥＣＵ３０は、本発明に係る「ＮＯｘセンサの故障診断を行う故障診断装置」の一例としても機能する。
【００１６】
２．ＮＯｘセンサの故障診断
上述のように「故障診断装置」として機能するＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２２の故障診断（ＯＢＤ）を定期的に又は必要に応じて実施する。この故障診断は、ＮＯｘセンサ２２によって検出されるＮＯｘ濃度の検出値と、内燃機関１０の各気筒１２から排出される排気のＮＯｘ濃度の推定値との比較に基づいて行われる。より詳細には、これらのＮＯｘ濃度の検出値と推定値との差（の絶対値）が故障判定のための所定の閾値を超える場合に、ＮＯｘセンサ２２が故障していると判定される。
【００１７】
２−１．故障診断に関する課題
触媒２０は、ＮＯｘ吸着能を有している。図２は、図１に示す触媒２０のＮＯｘの吸着特性を表した図である。より詳細には、図２は、触媒２０へのＮＯｘ吸着量と触媒２０の温度（ＤＯＣ床温）との関係を示している。本件発明者が行った試験によれば、触媒２０に吸着されるＮＯｘ成分はＮＯ２のみであり、ＮＯは吸着されないことが確認された。また、１５０℃以下の触媒温度範囲では、ＮＯ２は生成されないことが確認された。
【００１８】
図２に示すように、１５０℃以下の触媒温度範囲では、上述のようにＮＯ２は生成されないので、ＮＯｘ吸着量はゼロとなる。一方、ＤＯＣ床温が１５０℃を超えると、温度上昇とともに、ＮＯｘ吸着量が増加していく。ここで、温度が高いほど、分子の運動が活発になるのでＮＯ２が触媒２０に吸着しにくくなる。このため、触媒２０のＮＯｘの飽和吸着量は、ＤＯＣ床温の上昇に伴って低下する。その結果、図２に示すように、１５０〜２００℃の触媒温度範囲では、ＮＯ２の生成量の増加に伴ってＮＯｘ吸着量が増加する一方で、２００〜４００℃の触媒温度範囲では、ＤＯＣ床温の上昇に伴い、分子運動の活発化に起因してＮＯｘ吸着量が減少していく。触媒２０の例では、ＤＯＣ床温が４００℃を超えると、ＮＯｘの吸着が行われなくなる。
【００１９】
図２を参照して説明したように、触媒２０は、触媒温度（ＤＯＣ床温）が所定温度範囲ΔＴ（１５０〜４００℃）内にある場合に、ＮＯｘを吸着する機能を有している。触媒２０の例では、図２に示すように、ＮＯｘ吸着量は、ＤＯＣ床温が２００℃となるときにピーク値を示している。換言すると、ＤＯＣ床温が２００℃に対して上昇又は低下すると、触媒２０に吸着可能なＮＯｘの量が減少する。このため、所定温度範囲ΔＴでは、ＤＯＣ床温の変化に伴うＮＯｘ吸着量の減少に起因して、触媒２０に吸着していたＮＯｘが触媒２０から脱離する現象が生じ得る。
【００２０】
図３は、ＮＯｘセンサ２２の故障診断に関する課題を説明するためのタイムチャートである。本実施形態では、ＮＯｘセンサ２２の故障診断は、一例として、燃料カット（Ｆ／Ｃ）の実行中に実行される。具体的には、Ｆ／Ｃ中には、排気通路１６内を新気が流通することになる。新気中のＮＯｘ濃度は実質的にゼロである。このため、正常なＮＯｘセンサ２２であれば、新気が流通するＦ／Ｃ中にはＮＯｘを検出しないはずである。そこで、Ｆ／Ｃ中に各気筒１２から排出される排気のＮＯｘ濃度の推定値をゼロとしたうえで、当該推定値とＮＯｘセンサ２２によって検出されるＮＯｘ濃度の検出値との差（の絶対値）が所定の閾値を超えるか否かに基づいて、ＮＯｘセンサ２２の故障の有無を判定することができる。
【００２１】
図３中の時点ｔ０は、アクセルペダルの踏み込みがオフとされることに伴い、Ｆ／Ｃが開始された時点（燃料噴射量がゼロとされた時点）に相当する。触媒２０へのＮＯｘ吸着の影響を受けない場合（つまり、触媒２０にＮＯｘが吸着していない場合、又は触媒２０に吸着していたＮＯｘが脱離しない場合）には、図３に示すように、Ｆ／Ｃ開始後のＮＯｘ濃度（ＮＯｘセンサ２２の位置の値）は、排気通路１６への新気の流入により、時間経過とともにゼロに向けて低下していく。
【００２２】
一方、触媒２０へのＮＯｘの吸着影響のある場合には、触媒２０から脱離したＮＯｘの影響により、図３に示すように、Ｆ／Ｃの開始後にＮＯｘ濃度がゼロ相当に低下しなくなる場合がある。このような場合には、ＮＯｘセンサ２２は、上記の脱離ＮＯｘに応じた信号を出力してしまう。このため、上述の故障診断手法では、脱離ＮＯｘの影響によってＮＯｘ濃度の上記の差が閾値を超えてしまうことが起こり得るので、ＮＯｘセンサ２２の故障の有無を正しく診断できない可能性がある。そのうえで、脱離ＮＯｘの影響による誤診断を避けるために、触媒２０から脱離するＮＯｘの量が多い場合に故障診断を行わないようにすると、故障診断の機会を十分に確保できなくなる可能性がある。
【００２３】
２−２．ＮＯｘセンサの故障診断に先立つＮＯｘ脱離制御の概要
上述の課題に鑑み、本実施形態では、触媒温度（ＤＯＣ床温）が上記の所定温度範囲ΔＴ内にある場合には、ＥＣＵ３０（故障診断装置）によるＮＯｘセンサ２２の故障診断を行う前に、次のような「ＮＯｘ脱離制御」が実行される。
【００２４】
図４は、本発明の実施の形態に係るＮＯｘ脱離制御を伴うＮＯｘセンサの故障診断の実行例を表したタイムチャートである。図４中の時点ｔ１は、ＮＯｘ脱離制御の開始時点に相当する。ＤＯＣ床温が所定温度範囲ΔＴ内に入ると、触媒２０へのＮＯｘ（ＮＯ２）の吸着が進行する。ＮＯｘ脱離制御の開始時点は、例えば、ＤＯＣ床温が所定温度範囲ΔＴ内に入ってから所定時間が経過した時とすることができる。
【００２５】
ＮＯｘ脱離制御は、未燃燃料の供給によりＮＯｘを触媒２０から脱離させるために実行される。本実施形態のＮＯｘ脱離制御は、一例として、触媒２０の上流に燃料（ＨＣ、ＣＯ）を添加するために燃料添加弁１８を利用する。このような燃料添加によって触媒２０内においてＨＣ、ＣＯの酸化反応を生じさせると、図４に示すように、ＤＯＣ床温が上昇する。図４に示す例では、ＤＯＣ床温は、一例として５００℃程度にまで高められている。ＤＯＣ床温の上昇に伴い、図２に示される吸着特性のように触媒２０のＮＯｘ吸着能が低下し、触媒２０からＮＯｘが脱離する現象が生じる。ＮＯｘ脱離制御によれば、このようにして触媒２０からＮＯｘを脱離させることができる。
【００２６】
図４に示す例では、ＮＯｘ脱離制御は、ＤＯＣ床温が所定温度範囲ΔＴの上限である４００℃に到達する時点ｔ２まで実行されている。この例では、ＤＯＣ床温が所定温度範囲ΔＴの上限を超える付近においてＮＯｘの脱離が生じており、その結果、ＮＯｘ吸着量が低下している。
【００２７】
図４中の時点ｔ３は、時点ｔ２から所定ディレイ時間が経過した時点に相当する。ここでいうディレイ時間は、ＮＯｘ脱離制御の実行により触媒２０からＮＯｘが脱離し終えた時点を把握できるように事前に決定されている。時点ｔ３が到来すると、ＮＯｘセンサ２２の故障診断の実行を許可するときにオンになる「検出許可フラグ」がオンとされる。
【００２８】
図４中の時点ｔ４は、ＮＯｘ脱離制御の終了後にＤＯＣ床温が４００℃（所定温度範囲ΔＴの上限）を下回る時点に相当する。このようにＤＯＣ床温が再び所定温度範囲ΔＴ内に入ると、図４に示すようにＮＯｘ吸着量が増加に転じる。
【００２９】
図４中の時点ｔ５は、ＮＯｘセンサ２２の故障診断の実行中にオンになる「モニタ実行フラグ」がオンとされた時点に相当する。モニタ実行フラグは、検出許可フラグがオンである期間中にＦ／Ｃが実行された場合にオンとされる。時点ｔ６は、故障診断の完了に伴い、モニタ実行フラグがオフとされた時点に相当する。なお、検出許可フラグがオンである期間中にＦ／Ｃが実行されない場合には、故障診断を遂行できない。このような場合には、故障診断の機会を得るために、その後にＮＯｘ脱離制御が再度実行される。
【００３０】
また、時点ｔ７は、検出許可フラグがオフとされる時点に相当する。検出許可フラグは、ＤＯＣ床温が所定温度範囲ΔＴ内に収まっている期間中に、一例として次のような手法によってオフとされる。すなわち、検出許可フラグは、例えば、直近のＮＯｘ脱離制御の実行によるＮＯｘの脱離後にＤＯＣ床温が再び所定温度範囲ΔＴ内に入ってから所定時間が経過した時にオフとされる。この理由は以下の通りである。すなわち、直近のＮＯｘ脱離制御の実行によるＮＯｘの脱離後にＤＯＣ床温が再び所定温度範囲ΔＴ内に入ると、時間の経過とともにＮＯｘ吸着量が増えていく。ＮＯｘ吸着量が多くなると、ＮＯｘ脱離制御の実行後に吸着したＮＯｘの脱離が故障診断に影響を与えてしまう。これを避けるために、検出許可フラグは上記のようにオフとされる。時点ｔ７の経過後には、次回の故障診断に先立ち、時点ｔ１と同じ条件が満たされた場合にＮＯｘ脱離制御が再び実行される。
【００３１】
２−３．ＥＣＵ（故障診断装置）の処理
図５は、本発明の実施の形態においてＥＣＵ３０（故障診断装置）が行う処理に関するルーチンを示すフローチャートである。本ルーチンは、内燃機関１０の運転中に繰り返し実行される。
【００３２】
図５に示すルーチンでは、まず、ＥＣＵ３０は、触媒温度（ＤＯＣ床温）が所定温度範囲ΔＴ内に収まっているか否か（つまり、ＮＯｘを吸着する温度であるか否か）を判定する（ステップＳ１００）。触媒温度は、例えば、触媒温度センサ２４を利用して取得できる。
【００３３】
その結果、ＥＣＵ３０がステップＳ１００において触媒温度が所定温度範囲ΔＴから外れていると判定した場合には、処理はステップＳ１０２に進む。ステップＳ１０２では、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２２の故障診断を許可する（すなわち、検出許可フラグをオンにする）。この場合に故障診断を許可できる理由は、触媒温度が所定温度範囲ΔＴから外れている場合、つまり、ＮＯｘの吸着が起こらない温度であれば、触媒２０からのＮＯｘの脱離も起こらないためである。
【００３４】
一方、触媒温度が所定温度範囲ΔＴ内に収まっていると判定された場合には、処理はステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘ脱離制御を実行可能であるか否か（つまり、ＮＯｘを脱離させられるか否か）を判定する。ここで、ＮＯｘ脱離制御を実行できない場合としては、例えば、燃料添加弁１８の詰まり又は断線が生じている場合が相当する。
【００３５】
その結果、ＥＣＵ３０がステップＳ１０４においてＮＯｘ脱離制御を実行できないと判定した場合には、処理はステップＳ１０６に進む。ステップＳ１０６では、ＮＯｘセンサ２２の故障診断を許可しない（すなわち、検出許可フラグをオフにする）。
【００３６】
一方、ＥＣＵ３０がＮＯｘ脱離制御を実行可能であると判定した場合には、処理はステップＳ１０８に進む。ステップＳ１０８では、ＥＣＵ３０は、所定の開始時点の到来を条件として、ＮＯｘ脱離制御を実行する。ＮＯｘ脱離制御は、一例として、燃料添加弁１８を利用して既述したように行うことができる。なお、ＮＯｘ脱離制御は、燃料添加弁１８に代え、気筒１２内に燃料を噴射する燃料噴射弁２６によるアフタ噴射又はポスト噴射を利用して触媒２０に燃料（ＨＣ、ＣＯ）を供給するものであってもよい。すなわち、燃料噴射弁２６は、本発明に係る「触媒に未燃燃料を供給する装置」の他の例に相当する。
【００３７】
ステップＳ１０８におけるＮＯｘ脱離制御の実行後に、処理はステップＳ１１０に進む。ステップＳ１１０では、ＥＣＵ３０は、ＮＯｘセンサ２２の故障診断を許可する（すなわち、検出許可フラグをオンにする）。より詳細には、ＥＣＵ３０は、一例として、ＮＯｘ脱離制御の実行後に所定のディレイ時間（図４参照）が経過した後に故障診断を許可する。なお、ステップＳ１０４の判定結果が肯定的となった後に本ステップＳ１１０の処理が実行されるまでの間は、故障診断は許可されない（すなわち、検出許可フラグはオフとされる）。
【００３８】
３．効果
以上説明したように、本実施形態のＮＯｘセンサ２２の故障診断は、ＮＯｘ脱離制御を伴うことがある。すなわち、触媒２０の温度（ＤＯＣ床温）が所定温度範囲ΔＴ内にある場合には、ＮＯｘ脱離制御を行ってＮＯｘを触媒２０から強制的に脱離させた後に、ＮＯｘセンサ２２の故障診断が行われる。これにより、ＮＯｘが脱離する恐れのない触媒状態を担保したうえで故障診断を行えるようになる。このため、触媒２０へのＮＯｘ吸着に起因する誤診断を抑制することができる。そして、触媒温度が所定温度範囲ΔＴ内にある時に誤診断を防ぐために故障診断を停止する必要がなくなるため、ＮＯｘセンサの故障診断機会を増やすことができる。
【００３９】
４．ＮＯｘ脱離制御を伴うＮＯｘセンサの故障診断の他の例
酸化触媒によるＮＯｘの吸着及び脱離が故障診断に与える影響は、酸化触媒が新品である場合（劣化度が低い場合）において顕著となる。そこで、上述の実施の形態において説明したようなＮＯｘ脱離制御を伴うＮＯｘセンサ２２の故障診断は、酸化触媒の劣化度を公知の手法で推定したうえで、当該劣化度が所定値以下である場合に限って実行されてもよい。
【００４０】
５．触媒の他の例
上述した実施の形態においては、酸化触媒である触媒２０が例示された。しかしながら、本発明に係る「触媒」は、ＮＯｘ吸着能を有するものであれば、触媒２０の例に代え、例えば、次のようなものであってもよい。すなわち、本発明に係る「触媒」の他の例は、酸化触媒を有するＤＰＦ（ディーゼルパティキュレートフィルタ）であってもよい。また、「触媒」の他の例は、ＮＯｘ吸着触媒（ＰＮＡ）であってもよい。
【００４１】
さらに、本発明に係る「触媒」の他の例は、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＳＲ触媒）であってもよい。このような吸蔵還元型ＮＯｘ触媒の例においても、燃料添加弁１８等を利用して燃料（ＨＣ、ＣＯ）を供給することにより、当該触媒においてＨＣ、ＣＯの還元反応を起こさせることで、吸着ＮＯｘをＮ２に還元させることができる。これにより、当該触媒への吸着ＮＯｘを無くすことができ、ＮＯｘの脱離の恐れがなくなる。本明細書では、このような吸着ＮＯｘの還元についても、広い意味でＮＯｘの脱離と称する。
【符号の説明】
【００４２】
１０  内燃機関
１６  排気通路
１８  燃料添加弁
２０  触媒
２２  ＮＯｘセンサ
２４  触媒温度センサ
２６  燃料噴射弁
３０  電子制御ユニット（ＥＣＵ）
【図１】
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【図２】
2020016219.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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