(57)【要約】  排気通路に直列に配置された二以上の酸素吸蔵能付き排気浄化装置を備えている排気浄化システムにおいて、簡単な構成で、各々の排気浄化装置の劣化を区別して検出可能とする技術を提供する。ＮＳＲ及び酸素吸蔵能付きフィルタを上流側から直列に配置した排気浄化システムにおいて、ＮＳＲ入ガス空燃比とＮＳＲにおける酸素吸蔵能とに基づいてＮＳＲ出ガス空燃比を推定し、ＮＳＲ出ガス空燃比（フィルタ入ガス空燃比）とフィルタにおける酸素吸蔵能とに基づいてフィルタ出ガス空燃比を推定し、さらに、フィルタ出ガス空燃比を検出し、推定されたＮＳＲ出ガス空燃比と、推定されたフィルタ出ガス空燃比と、実際に検出されたフィルタ出ガス空燃比とに基づいてＮＳＲの劣化とフィルタの劣化とを区別して判定する。
2010150408.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内燃機関の排気通路に備えられ、酸素吸蔵能を有する第１排気浄化装置と、
前記排気通路における前記第１排気浄化装置の下流側に備えられ、酸素吸蔵能を有する第２排気浄化装置と、
前記排気通路における前記第１排気浄化装置の上流側の排気の空燃比を取得する上流空燃比取得手段と、
前記排気通路における前記第２排気浄化装置の下流側に設けられ、前記第２排気浄化装置からの排気の空燃比を検出する下流空燃比検出手段と、
前記上流空燃比取得手段によって取得された前記第１排気浄化装置の上流側の排気の空燃比と前記第１排気浄化装置の正常時における酸素吸蔵能とに基づいて前記第１排気浄化装置と前記第２排気浄化装置の間における排気の空燃比を推定する第１空燃比推定手段と、
前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と前記第２排気浄化装置の正常時における酸素吸蔵能とに基づいて前記第２排気浄化装置の下流側における排気の空燃比を推定する第２空燃比推定手段と、
前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比とに基づいて前記第１排気浄化装置の劣化と前記第２排気浄化装置の劣化とを区別して判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化システム。
【請求項２】
前記判定手段は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の空燃比差分が所定の閾値以下の場合には、前記第２排気浄化装置が劣化していると判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項３】
前記空燃比差分は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差の所定時間についての積算値であることを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項４】
前記判定手段は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の第１空燃比差分が第１閾値より大きく、且つ、前記第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の第２空燃比差分が所定の第２閾値より大きい場合に、前記第１排気浄化装置が劣化していると判定することを特徴とする請求項１または２に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記第１空燃比差分は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差の所定時間についての積算値であり、
前記第２空燃比差分は、前記第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差の所定時間についての積算値であることを特徴とする請求項４に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項６】
前記第２排気浄化装置は触媒貴金属を担持していない排気浄化装置であり、
前記排気通路における第２排気浄化装置の下流側に設けられた酸化触媒と、
該酸化触媒の温度を検出する温度検出手段と、をさらに備え、
前記判定手段は前記酸化触媒の温度に基づいて、前記第２排気浄化装置の劣化を判定することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項７】
前記第１排気浄化装置は、吸蔵還元型ＮＯx触媒であり、
前記第２排気浄化装置は、酸化吸蔵能を有するフィルタであることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の内燃機関の排気浄化システム。
【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システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気にはＮＯxなどの有害物質が含まれている。これらの有害物質の排出を低減するために、内燃機関の排気系に、排気の空燃比がリーンの状態では排気中のＮＯxを吸蔵（吸収、吸着を含む。）するとともに排気の空燃比がリッチの状態においては吸蔵されたＮＯxを放出還元する吸蔵還元型ＮＯx触媒を設けることが知られている。この技術においては、吸蔵（吸収、吸着を含む）されたＮＯxの量が増加すると触媒の浄化能力が低下するため、排気の空燃比のリッチ化制御を行うことにより吸蔵還元型ＮＯx触媒に還元剤を供給し、同触媒に吸蔵されたＮＯxを放出還元することが行われる（以下、「ＮＯx還元処理」という。）。【０００３】
また、吸蔵還元型ＮＯx触媒に排気中のＳＯxが吸蔵され、浄化能力が低下するＳＯx被毒を解消するために、吸蔵還元型ＮＯx触媒の床温を上昇させるとともに還元剤を供給する場合がある（以下、「ＳＯx被毒回復処理」という。）が、このＳＯx被毒回復処理においても排気の空燃比のリッチ化制御により、還元剤を吸蔵還元型ＮＯx触媒に供給することが行われる。【０００４】
また、内燃機関の排気にはカーボンを主成分とする微粒子物質（ＰＭ：Particulate Matter）が含まれている。これらの微粒子物質の大気への放散を防止するために内燃機関の排気系に微粒子物質を捕集するパティキュレートフィルタ（以下、「フィルタ」という。）を設ける技術が知られている。【０００５】
また、上記のフィルタにおいては、セリアやアルカリ土類金属などの酸素吸蔵材及び、Ｐｔなどの触媒貴金属が担持され、酸素吸蔵能を有するものがある。このようなフィルタは、微粒子物質を捕集する機能のみならず、排気の空燃比がリーンの際に排気中の酸素を吸蔵（吸着、吸収を含む）し、排気の空燃比がリッチとなった際には吸蔵した酸素を排気中に放出する。そして、放出した酸素によって排気中のＣＯやＨＣを酸化浄化する。従って、この酸素吸蔵能（以下、ＯＳＣ機能ともいう。）を有するフィルタによって、リッチ雰囲気の排気中のＨＣやＣＯを消費して浄化することが可能である。【０００６】
内燃機関の排気系においては、上記した吸蔵還元型ＮＯx触媒とＯＳＣ機能を有するフィルタなど、複数の排気浄化装置を直列に備える場合がある。そのような場合には、吸蔵還元型ＮＯx触媒とＯＳＣ機能付きフィルタの機能の劣化を判定する必要が生じる場合がある。【０００７】
排気浄化装置の劣化を判定する技術に関連して、排気通路に介装され酸化雰囲気でＮＯxをトラップするＮＯxトラップ触媒の劣化診断を、トラップされたＮＯxを還元浄化する制御時に、触媒上流側の空燃比がリッチになってから下流側の空燃比がリッチになるまでの時間に基づいて行う技術が公知である（例えば、特許文献１を参照。）。【０００８】
また、エンジンの排気ガス中の可燃物を酸化する触媒の上下流排気温度と大気温度等より、触媒コンバータの触媒ケース内において可燃物その他が反応して生じる可燃物単位流量当たりの発熱量の差を求めて、予め定めた判定値以下と判定される回数が所定回数以上となった時に、触媒が劣化状態であると判定する技術が公知である（例えば、特許文献２を参照。）。【０００９】
しかしながら、上記の従来技術においては、ＮＯx吸蔵還元型触媒やＯＳＣ機能付きフィルタなどの複数の排気浄化装置の機能の劣化を区別して判定することが困難である問題があった。また、複数の排気浄化装置の機能の劣化を区別して判定するためには、各々の排気浄化装置毎にセンサを設けるなど、装置コストが上昇する問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−２４０７５８号公報
【特許文献２】特開２００３−１０６１４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的とするところは、排気通路に直列に配置された二以上の酸素吸蔵能付き排気浄化装置を備えている排気浄化システムにおいて、簡単な構成で、各々の排気浄化装置の劣化を区別して検出可能とする技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するための本発明は、酸素吸蔵能を有する第１排気浄化装置及び第２排気浄化装置を上流側から直列に配置した排気浄化システムにおいて、
第１排気浄化装置の上流側の空燃比と第１排気浄化装置における酸素吸蔵能とに基づいて第１排気浄化装置の下流側の空燃比を推定し、
第２排気浄化装置の上流側の空燃比と第２排気浄化装置における酸素吸蔵能とに基づいて第２排気浄化装置の下流側の空燃比を推定し、
さらに、第２排気浄化装置の下流側の空燃比を検出し、
第１排気浄化装置の下流側の推定された空燃比と、第２排気浄化装置の下流側の推定された空燃比と、第２排気浄化装置の下流側の検出された空燃比とに基づいて第１排気浄化装置の劣化と第２排気浄化装置の劣化とを区別して判定することを最大の特徴とする。【００１３】
より詳しくは、内燃機関の排気通路に備えられ、酸素吸蔵能を有する第１排気浄化装置と、
前記排気通路における前記第１排気浄化装置の下流側に備えられ、酸素吸蔵能を有する第２排気浄化装置と、
前記排気通路における前記第１排気浄化装置の上流側の排気の空燃比を取得する上流空燃比取得手段と、
前記排気通路における前記第２排気浄化装置の下流側に設けられ、前記第２排気浄化装置からの排気の空燃比を検出する下流空燃比検出手段と、
前記上流空燃比取得手段によって取得された前記第１排気浄化装置の上流側の排気の空燃比と前記第１排気浄化装置の正常時における酸素吸蔵能とに基づいて前記第１排気浄化装置が正常である場合の前記第１排気浄化装置と前記第２排気浄化装置の間における排気の空燃比を推定する第１空燃比推定手段と、
前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と前記第２排気浄化装置の正常時における酸素吸蔵能とに基づいて前記第１排気浄化装置と前記第２排気浄化装置の両方が正常である場合の前記第２排気浄化装置の下流側における排気の空燃比を推定する第２空燃比推定手段と、
前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比とに基づいて前記第１排気浄化装置の劣化と前記第２排気浄化装置の劣化とを区別して判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする。【００１４】
本発明においては、第１および第２空燃比推定手段によって、各々第１および第２排気浄化装置の上流側の排気の空燃比と、各排気浄化装置の正常時における酸素吸蔵能とより、各排気浄化装置の酸素吸蔵能が正常である場合の各排気浄化装置の下流側の排気の空燃比を推定する。【００１５】
そして、第１空燃比推定手段によって推定された第１排気浄化装置と第２排気浄化装置との間の排気通路における排気の空燃比と、第２空燃比推定手段によって推定された第２排気浄化装置の下流側の排気通路における排気の空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された第２排気浄化装置の下流側の排気通路における排気の空燃比とを比較する。さらに、第１排気浄化装置の前後における空燃比の変化と、第２排気浄化装置の前後における空燃比の変化をと導出し、各々の排気浄化装置において空燃比が予定どおり変化しているかを判断する。このことで、前記第１排気浄化装置の劣化と前記第２排気浄化装置の劣化とを区別して判定することができる。【００１６】
ここで、下流空燃比検出手段は排気浄化システムにおける空燃比制御のためにそもそも必要な検出手段であるので、本発明によれば、新たなセンサなどを必要とせず、簡単な構成で第１排気浄化装置と第２排気浄化装置の劣化を区別して検出することが可能となる。なお、本発明においては、酸素吸蔵能は排気の空燃比がリーンの状態で酸素を吸蔵（吸収、吸着を含む）し、排気の空燃比がリッチの状態で酸素を放出させる機能を意味しており、排気の空燃比がリーンの状態でＮＯx（酸素含む）を吸蔵（吸収、吸着を含む）し、排気の空燃比がリッチの状態でＮＯxを放出させるＮＯx吸蔵還元機能を含む意味である。【００１７】
また、本発明においては、前記判定手段は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の空燃比差分が所定の閾値以下の場合には、前記第２排気浄化装置が劣化していると判定するようにしてもよい。【００１８】
すなわち、第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差が小さい場合とは、第２排気浄化装置の前後で排気の空燃比が殆ど変化していない場合であり、このような場合には第２排気浄化装置が劣化していると判定することが可能である。従って本発明では、判定手段は、第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の空燃比差分が所定の閾値以下の場合には、第２排気浄化装置が劣化していると判定するようにした。【００１９】
これによれば、より簡単な手法でより確実に、第２排気浄化装置の劣化の判定をすることができる。なお、本発明において、所定の空燃比差分とは、特定の時点における第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差自体あるいはその絶対値であってもよいし、当該差に何らかの演算を加えたものであってもよい。また、所定の閾値とは、前記の空燃比差分が当該閾値以下の場合は、第２排気浄化装置が劣化していると判定できる値として定義されたもので予め実験などによって定めるようにしてもよい。【００２０】
また、本発明においては、前記空燃比差分は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差の所定時間についての積算値としてもよい。【００２１】
そうすれば、判定手段は、第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差を、所定時間において積算した値が閾値以下となる場合に、第２排気浄化装置が劣化していると判定するので、短期間のノイズや測定誤差の影響を排除することができ、所定時間における全体的な傾向から第２排気浄化装置の劣化の判定を行うことができる。これにより、上記判定の判定精度を向上させることができる。【００２２】
また、本発明においては、前記判定手段は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の第１空燃比差分が第１閾値より大きく、且つ、前記第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の第２空燃比差分が所定の第２閾値より大きい場合に、前記第１排気浄化装置が劣化していると判定するようにしてもよい。【００２３】
ここで、第１空燃比推定手段により推定された、第１排気浄化装置と第２排気浄化装置との間における排気の空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された、第２排気浄化装置の下流の排気通路において検出された空燃比との差が充分に大きい場合には、第２排気浄化装置の前後において空燃比が大きく変化していることを意味するので、第２排気浄化装置は劣化していないと判定できる。【００２４】
さらに、第２排気浄化装置の下流側における推定された空燃比と、第２排気浄化装置の下流側において実際に検出された空燃比との差が充分に大きい場合には、第１排気浄化装置と第２排気浄化装置の少なくともいずれか一方は劣化していると判定できる。【００２５】
従って本発明においては、第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される第１空燃比差分が第１閾値より大きく、且つ、第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差から導出される所定の第２空燃比差分が所定の第２閾値より大きい場合には、第１排気浄化装置が劣化していると判定することとした。【００２６】
これによれば、より簡単な構成及び演算によって、より確実に第１排気浄化装置の劣化を判定することができる。なお、本発明において、第１空燃比差分とは、特定の時点における第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差自体あるいはその絶対値であってもよい。あるいは前記差に何らかの演算を加えたものであってもよく、前述の所定の空燃比差分と同じであってもよい。また、第１閾値とは、第１空燃比差分が第１閾値より大きい場合は、第２排気浄化装置が劣化していないと判定できる値として定義されたもので予め実験などによって定めておいてもよく、前述の所定の閾値と同じであってもよい。【００２７】
また、本発明において、第２空燃比差分とは、特定の時点における第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差自体あるいはその絶対値であってもよいし、当該差に何らかの演算を加えたものであってもよい。また、第２閾値とは、第２空燃比差分が第２閾値より大きい場合は、第１排気浄化装置または第２排気浄化装置の少なくとも一方が劣化していると判定できる値として定義されたもので予め実験などによって定めてもよい。【００２８】
また、本発明においては、前記第１空燃比差分は、前記第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差の所定時間についての積算値であり、
前記第２空燃比差分は、前記第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、前記下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差の所定時間についての積算値であるようにしてもよい。【００２９】
そうすれば、判定手段は、第１空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差が、所定時間の全体的な傾向として充分大きく、且つ、第２空燃比推定手段により推定された空燃比と、下流空燃比検出手段により検出された空燃比との差が、所定時間の全体的な傾向として充分大きい場合に、第１排気浄化装置の劣化であると判定する。従って、短期間のノイズや測定誤差の影響を排除することができ、第１排気浄化装置の劣化の判定精度を向上させることができる。【００３０】
また、本発明においては、前記第２排気浄化装置は触媒貴金属を担持していない排気浄化装置であり、
前記排気通路における第２排気浄化装置の下流側に設けられた酸化触媒と、
該酸化触媒の温度を検出する温度検出手段と、をさらに備え、
前記判定手段は前記酸化触媒の温度に基づいて、前記第２排気浄化装置の劣化を判定するようにしてもよい。【００３１】
ここで、第２排気浄化装置に触媒貴金属が担持されていない場合について考える。この場合には、第２排気浄化装置は酸素吸蔵能は有するが、リッチ雰囲気において放出されたＯ2と排気中の例えばＣＯとを反応させＣＯを消費させる触媒機能を充分に有していない状態となる。そうすると、第２排気浄化装置から放出されたＯ2はＣＯを酸化させずにそのまま下流に流れていく状態となる。その結果、第２排気浄化装置の前後において排気のＣＯ濃度は変化せず、Ｏ2の存在により下流空燃比検出手段により検出される空燃比がよりリーン側に変化して、第２排気浄化装置の劣化の検出精度が悪化してしまうおそれがある。そこで、本発明においては、酸化触媒の温度を検出する温度検出手段に着目して劣化の判定を行うこととした。【００３２】
すなわち、酸化吸蔵能を有し触媒貴金属を有しない第２排気浄化装置の下流に、酸化能を有する酸化触媒と、この酸化触媒の温度を検出する温度検出手段とを配置する。そして、第２排気浄化装置から排出されたＯ2とＣＯとを酸化触媒において反応させＣＯを消費する。そしてその際に、酸化触媒におけるＯ2とＣＯ等との反応熱による発熱量を排気温度検出手段で検出し、その発熱量に基づいて第２排気浄化装置の劣化の判定を行う。【００３３】
より具体的には、第２排気浄化装置に酸素吸蔵能の劣化がなく正常な場合には、ＣＯの通過により第２排気浄化装置からＯ2が放出され、このＯ2とＣＯとが酸化触媒において反応するので、上記の発熱量は大きくなる。一方、第２排気浄化装置の酸素吸蔵能が劣化している場合には、ＣＯの通過による第２排気浄化装置からのＯ2放出量が減少するため、酸化触媒におけるＯ2とＣＯとの反応による発熱量は低下する。従って、酸化触媒の温度を検出することにより第２排気浄化装置の劣化を判定することが可能である。【００３４】
このように本発明によれば、酸素吸蔵能を有するも触媒貴金属が担持されていないような第２排気浄化装置の劣化判定を、より精度良く行うことが可能となる。【００３５】
また、本発明においては、第１排気浄化装置は、ＮＯx吸蔵還元型触媒であり、第２排気浄化装置は、酸化吸蔵能を有するフィルタとしてもよい。【００３６】
なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。
【発明の効果】
【００３７】
本発明にあっては、排気通路に直列に配置された二以上の酸素吸蔵能付き排気浄化装置を備えている排気浄化システムにおいて、簡単な構成で、各々の排気浄化装置の劣化を区別して検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施例１に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示した図である。
【図２】ＮＳＲ、フィルタの両方が正常な状態で排気のリッチ化制御を行った場合の、ＮＳＲ入ガス空燃比、ＮＳＲ出ガス空燃比、フィルタ出ガス空燃比の変化について示したグラフである。
【図３】ＮＳＲ、フィルタのそれぞれが劣化している状態で排気のリッチ化制御を行った場合の、ＮＳＲ入ガス空燃比、ＮＳＲ出ガス空燃比、フィルタ出ガス空燃比の変化について示したグラフである。
【図４】本発明の実施例１に係る還元量算出部及び、還元量算出部に入力、出力される情報について説明するための図である。
【図５】本発明の実施例１に係るＯＳＣ算出部及び、ＯＳＣ算出部に入力、出力される情報について説明するための図である。
【図６】本発明の実施例１に劣化判定ルーチンの内容を示すフローチャートである。
【図７】ＮＳＲ入ガス空燃比、ＮＳＲ出ガス空燃比、フィルタ出ガス空燃比の各々の差を検出、積算するタイミングについて説明するための図である。
【図８】本発明の実施例２に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示した図である。
【図９】本発明の実施例２において、フィルタの正常時及び劣化時にリッチ化制御を行った場合の排気系の状態について示した図である。
【図１０】本発明の実施例３において、リッチ化制御開始直後に温度検出した場合と、空燃比がストイキ以下になってから温度検出した場合とにおける、排気系の状態について示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。
【実施例１】
【００４０】
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その排気系及び制御系の概略構成を示す図である。なお、図１においては、内燃機関１の内部及びその吸気系は省略されている。内燃機関１には、内燃機関１から排出される排気が流通する排気通路としての排気管５が接続され、この排気管５は下流にて図示しないマフラーに接続されている。また、排気管５の途中には、排気中のＮＯxを浄化する吸蔵還元型ＮＯx触媒（以下、「ＮＳＲ」と略す。）１０が配置されている。そして、排気管５におけるＮＳＲ１０の下流側には、排気中の微粒子物質を捕集するフィルタ１１が配置されている。【００４１】
このフィルタ１１には、排気ガス中の炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）などを浄化すべく、セリウム（Ｃｅ）酸化物（以下、セリアともいう。）、アルカリ土類金属などが担持されている。セリウム酸化物などが担持されることにより、フィルタ１１には、特に排気がリーンの酸化雰囲気下では酸素を貯蔵し、排気がリッチの還元雰囲気下では酸素を放出する酸素吸蔵能（以下、ＯＳＣ機能ともいう。）が付加されている。また、フィルタ１１には、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｈ）などの触媒貴金属が担持されており、リッチの還元雰囲気下でＯＳＣ機能に基づいて放出されたＯ2とＣＯ、ＨＣなどが反応し、ＣＯやＨＣが消費され易いようになっている。【００４２】
なお、排気管５におけるＮＳＲ１０の上流側には、ＮＳＲ１０の上流側の排気管５を通過する排気の空燃比を検出する上流ＡＦセンサ１４が備えられている。また、フィルタ１１の下流側には、フィルタ１１の下流側の排気管５を通過する排気の空燃比を検出する下流ＡＦセンサ１５が備えられている。これらの上流ＡＦセンサ１４及び下流ＡＦセンサ１５は、実際には排気中のＣＯ濃度を測定し、その値に基づいて空燃比を検出している。【００４３】
以上述べたように構成された内燃機関１及びその排気系には、該内燃機関１及び排気系を制御するための電子制御ユニット（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）２０が併設されている。このＥＣＵ２０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の運転状態等を制御する他、内燃機関１のＮＳＲ１０、フィルタ１１を含めた排気浄化システムに係る制御を行うユニットである。【００４４】
ＥＣＵ２０には、図示しないエアフローメータ、クランクポジションセンサや、アクセルポジションセンサなどの内燃機関１の運転状態の制御に係るセンサ類が電気配線を介して接続され、出力信号がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。また、上流ＡＦセンサ１４、下流ＡＦセンサ１５も電気配線を介してＥＣＵ２０に接続され、ＮＳＲ１０の上流側及びフィルタ１１の下流側における排気の空燃比の検出値がＥＣＵ２０に入力されるようになっている。【００４５】
また、ＥＣＵ２０には、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等が備えられており、ＲＯＭには、内燃機関１の種々の制御を行うためのプログラムや、データを格納したマップが記憶されている。【００４６】
上記の構成においてＮＳＲ１０のＮＯx還元処理を行う場合には、例えば内燃機関１における副噴射制御によって排気の空燃比をリッチとするリッチ化制御が行なわれる。ここで、ＮＳＲ１０とフィルタ１１の両方の機能が正常である場合の、リッチ化制御時における排気系の各箇所の空燃比の変化について説明する。【００４７】
図２には、１回のリッチ化制御（リッチイベント）においてＮＳＲ１０に流入するＮＳＲ入ガス、ＮＳＲ１０から排出されるＮＳＲ出ガス、フィルタ１１から排出されるフィルタ出ガスについての空燃比の変化について示す。実線の太線で示すのは、ＮＳＲ入ガスの空燃比である。この空燃比は、上流ＡＦセンサ１４で計測されたものである。そして、中破線で示したカーブはＮＳＲ出ガスの空燃比である。このＮＳＲ出ガスの空燃比は、ＮＳＲ１０が正常な場合には、リッチ雰囲気においてＮＳＲ１０から放出されたＮＯxにより排気中のＣＯが酸化され、ＣＯ濃度が低下するため空燃比はリーン側に変化する。なお、このＮＳＲ出ガスの空燃比は基本的にフィルタ１１に流入するフィルタ入ガスの空燃比と同等である。【００４８】
次に、太点線で示されたのは、フィルタ出ガスの空燃比である。このフィルタ出ガスの空燃比は、フィルタ１１が正常な場合は、フィルタ１１におけるＯＳＣ機能により、リッチ雰囲気においてフィルタ１１に吸蔵されているＯ2が放出されＣＯが酸化消費されるので、フィルタ入ガスの空燃比よりもさらにリーン側に変化する。【００４９】
次に、ＮＳＲ１０のＮＯx吸蔵還元機能および／またはフィルタ１１の酸素吸蔵能が劣化した場合における、各場所における排気の空燃比の変化について説明する。図３（Ａ）には、ＮＳＲ１０のＮＯx吸蔵還元機能のみが劣化している場合の空燃比の変化について示す。この場合には、リッチ雰囲気下のＮＳＲにおいて排気中のＣＯが酸化されづらくなるので、ＮＳＲ出ガスの空燃比はＮＳＲ入ガスの空燃比と同等となる。そして、フィルタ１１のＯＳＣ機能によってＣＯが酸化されるので、フィルタ出ガスの空燃比はＮＳＲ出ガスの空燃比よりリーン側に変化する。【００５０】
次に、図３（Ｂ）には、フィルタ１１のＯＳＣ機能のみが劣化している場合の各場所における空燃比の変化について示す。この場合には、ＮＳＲ１０のＮＯx吸蔵還元機能によって排気中のＣＯが消費されるため、ＮＳＲ入ガスの空燃比と比較してＮＳＲ出ガスの空燃比はよりリーン側に変化する。一方、リッチ雰囲気下でフィルタ１１から放出されるＯ2の量が少なくなるため、フィルタ１１において消費されるＣＯの量は減少し、ＮＳＲ出ガス（フィルタ入ガス）の空燃比とフィルタ出ガスの空燃比とは同等となる。【００５１】
以上のように、内燃機関１の排気系において、ＮＳＲ１０のＮＯx吸蔵還元機能が劣化している場合と、フィルタ１１におけるＯＳＣ機能が劣化している場合とで、ＮＳＲ入ガス、ＮＳＲ出ガス（フィルタ入ガス）、フィルタ出ガスの各々の関係が異なることが分かる。本実施例においてはこの特性を利用し、排気系の上流側にＮＳＲ１０、下流側にＯＳＣ機能付きフィルタ１１を備えた排気浄化システムにおいてＮＳＲ１０の劣化と、フィルタ１１の劣化とを区別して判別する。【００５２】
すなわち本実施例においては、上流ＡＦセンサ１４により検出されたＮＳＲ１０の上流側の空燃比と、ＮＳＲ１０における正常時のＮＯx吸蔵還元能とから、ＮＳＲ出ガスの空燃比を推定する。また、推定されたＮＳＲ出ガスの空燃比と、フィルタ１１の正常時におけるＯＳＣ機能とから、フィルタ出ガスの空燃比を推定する。そして、下流ＡＦセンサ１５により検出されたフィルタ出ガスの空燃比が、上記の推定されたフィルタ出ガスの空燃比と相当程度以上異なり、且つ推定されたＮＳＲ出ガスの空燃比とも相当程度以上異なる場合に、ＮＳＲ１０のＮＯx吸蔵還元能が劣化していると判定する。また、下流ＡＦセンサ１５により検出されたフィルタ出ガスの空燃比が推定されたＮＳＲ出ガスの空燃比と相当程度以上一致する場合に、フィルタ１１が劣化していると判定する。【００５３】
次に、本実施例におけるＮＳＲ１０及びフィルタ１１の劣化判定のプロセスについてより詳細に説明する。図４には、本実施例における還元量算出部２１及び、還元量算出部２１に供給される情報と、還元量算出部２１によって算出される情報について示す。図４において還元量算出部２１は、ＥＣＵ２０によって構成されている。【００５４】
還元量算出部２１に入力される情報のうち、ＮＯxstは、推定の時点でＮＳＲ１０に蓄積しているＮＯxの量であり、前回のＮＯx還元処理以降の運転状態の履歴との関係で作成された吸蔵ＭＡＰに記憶されている量である。また、ＣＯ量は、ＮＳＲ１０に流入する排気中のＣＯ量であり、上流ＡＦセンサ１４の出力より推定される。【００５５】
また、ＮＳＲ床温は、内燃機関１の運転状態の履歴との関係で作成されたマップから読み出すことで取得してもよいし、ＮＳＲ１０内部の排気温度センサ（不図示）により検出してもよい。また、入ＮＯx濃度は、図示しないエアフローメータの出力値と運転状態との関係で作成されたマップから読み出されたＮＯx量とから取得してもよい。【００５６】
そして、以下の数式に基づいてＮＯx還元量が算出される。
ｄ[ＮＯxst]／ｄｔ＝−ｋｏ[ＣＯ]2[ＮＯxst]ｅ(-E/RT)・・・・（１）
数式（１）においてｄ[ＮＯxst]／ｄｔがＮＯx還元量に相当する。ここで、ｋｏは実験的に最適化された比例定数、Ｅは活性化エネルギー、Ｒは気体定数、ＴはＮＳＲ床温である。【００５７】
さらに、２ＣＯ＋ＮＯ2→Ｎ2＋ＣＯ2なる化学反応に基づいて還元ＮＯ2により消費されるＣＯ量を算出することが可能となり、ＣＯ濃度を推定することができる。このように、ＥＣＵ２０においては、ＮＳＲ出ガスにおける空燃比の波形が常に準備されるようになっている。【００５８】
次に、図５には、本実施例におけるＯＳＣ算出部２２及び、ＯＳＣ算出部２２に供給される情報と、ＯＳＣ算出部２２によって算出される情報について示す。図６においてＯＳＣ算出部２２は、ＥＣＵ２０によって構成されている。【００５９】
ＯＳＣ算出部２２に入力される情報のうち、ＤＰＦ床温は、内燃機関１の運転状態の履歴との関係で作成されたマップから読み出すことで取得してもよいし、センサを設けて検出するようにしてもよい。また、ＤＰＦ入ＡＦについては、上述のように還元量算出部２１によって算出された出ＣＯ濃度から導出することが可能である。さらに、堆積スート量及び堆積アッシュ量については、推定の時点でフィルタ１１に堆積しているスート及びアッシュの量であり、前回のＰＭ再生処理以降の運転状態の履歴との関係で作成された堆積ＭＡＰに記憶されている量である。【００６０】
そして、ＤＰＦ床温、ＤＰＦ入ＡＦ、堆積スート量、堆積アッシュ量と、出ＣＯ濃度との関係を格納したＭＡＰから、上記入力された情報に対応した出ＣＯ濃度の値を読み出すことにより、出ＣＯ濃度が推定される。なお、ＤＰＦ床温、ＤＰＦ入ＡＦ、堆積スート量、堆積アッシュ量と、出ＣＯ濃度との関係は、フィルタ１１の酸素吸蔵能に基づき、実験的にあるいは、数式（１）と同様の考え方により理論的に導出したものである。【００６１】
すなわち、本実施例においては、上流ＡＦセンサ１４により検出された空燃比と、ＮＳＲ１０のＮＯx吸蔵還元能とに基づき、還元量算出部２１によってＮＳＲ出ガスの空燃比が推定される。そして、推定されたＮＳＲ出ガスの空燃比と、フィルタ１１の酸素吸蔵能とに基づいてフィルタ出ガスの空燃比が推定される。【００６２】
次に、推定されたＮＳＲ出ガス空燃比、推定されたフィルタ出ガス空燃比、下流ＡＦセンサで検出された空燃比に基づいて、ＮＳＲ１０、フィルタ１１の劣化判定は以下のように行なわれる。なお、図６には、ＮＳＲ１０、フィルタ１１の劣化判定に用いられる劣化判定ルーチンのフローチャートを示す。【００６３】
本実施例では、還元量算出部２１を用いて推定されたＮＳＲ出ガス空燃比ＡＦｎｏと、ＯＳＣ算出部２２を用いて推定されたフィルタ出ガス空燃比ＡＦｆｏと、下流ＡＦセンサ１５で検出された検出フィルタ出ガス空燃比ＡＦｓとを、１回のリッチ化制御（リッチイベント）の間に４回取得する（劣化判定ルーチンＳ１０１）。なお、図７には、１回のリッチ化制御におけるサンプリングタイムｔ１〜ｔ２の例について示す。【００６４】
そして、４回のサンプリングタイムにおいて得られたＮＳＲ出ガス空燃比ＡＦｎｏ１〜ＡＦｎｏ４、フィルタ出ガス空燃比ＡＦｆｏ１〜ＡＦｆｏ４、検出フィルタ出ガス空燃比ＡＦｓ１〜ＡＦｓ４、の各々の値を積算し、積算されたＮＳＲ出ガス空燃比ＡＦｎｏｔと、積算されたフィルタ出ガス空燃比ＡＦｆｏｔと、積算された検出フィルタ出ガス空燃比ＡＦｓｔとを算出する。（劣化判定ルーチンＳ１０１）。【００６５】
そして、ＡＦｓｔとＡＦｎｏｔとの差が第１基準空燃比差ΔＡＦ１以下である場合には（劣化判定ルーチンＳ１０３でＹｅｓ）、図３（Ｂ）に示した状態になっていると判断できるので、フィルタ１１の酸素吸蔵能が劣化していると判定する（劣化判定ルーチンＳ１０５）。【００６６】
そして、ＡＦｓｔとＡＦｆｏｔとの差が第１基準空燃比差ΔＡＦ１より大きく（劣化判定ルーチンＳ１０３でＮｏ）、且つ、ＡＦｓｔとＡＦｎｏｔとの差が第２基準空燃比差ΔＡＦ２より大きい場合には（劣化判定ルーチンＳ１０４でＹｅｓ）、図３（Ａ）に示した状態になっていると判断できるので、ＮＳＲ１０が劣化していると判定する。【００６７】
また、ＡＦｓｔとＡＦｆｏｔとの差が第１基準空燃比差ΔＡＦ１より大きく（劣化判定ルーチンＳ１０３でＮｏ）、且つ、ＡＦｓｔとＡＦｎｏｔとの差が第２基準空燃比差ΔＡＦ２以下の場合には（劣化判定ルーチンＳ１０４でＮｏ）、図２に示した状態になっていると判断できるので、ＮＳＲ１０、フィルタ１１がともに正常であると判定する。【００６８】
以上、説明したように、本実施例によれば、排気空燃比の制御用に従来から設けられている下流ＡＦセンサ１５を用いて、簡単な構成と演算により、ＮＳＲ１０の劣化とフィルタ１１の劣化とを区別して判定することが可能となる。【００６９】
なお、上記の実施例においては、ＮＳＲ１０の上流側の排気の空燃比を上流ＡＦセンサ１４によって検出したが、ＮＳＲ１０の上流側の排気の空燃比の値は、内燃機関１の運転状態より推定することとしてもよい。【００７０】
なお、上記の実施例においてＮＳＲ１０は第１排気浄化装置に相当する。フィルタ１１は第２排気浄化装置に相当する。上流ＡＦセンサ１４は上流空燃比取得手段に相当する。下流ＡＦセンサ１５は下流空燃比検出手段に相当する。また、第１空燃比推定手段は還元量算出部２１を含んで構成される。第２空燃比推定手段はＯＳＣ算出部２２を含んで構成される。判定手段は、劣化判定ルーチンを実行するＥＣＵ２０を含んで構成される。【００７１】
また、劣化判定ルーチンにおいて、ＡＦｓｔとＡＦｎｏｔとの差は、所定の空燃比差分及び、所定の第１空燃比差分の一例である。また、第１基準空燃比差ΔＡＦ１は、所定の閾値及び、第１閾値の一例である。また、ＡＦｓｔとＡＦｆｏｔとの差は、所定の第２空燃比差分の一例である。また、第２基準空燃比差ΔＡＦ２は所定の第２閾値の一例である。
【実施例２】
【００７２】
次に、本発明における実施例２について説明する。実施例２においては、フィルタには、セリアやアルカリ土類金属などが担持されＯＳＣ機能を有するものの、Ｐｔなどの触媒貴金属が担持されていない場合について説明する。【００７３】
この場合、排気の空燃比がリッチの状態では、フィルタにおけるＯＳＣ機能に基づいて、フィルタにおいてＯ2が放出される。しかしながら、触媒貴金属が担持されていないために、放出されたＯ2が排気中のＣＯと反応しづらく、フィルタ前後におけるＣＯ濃度はあまり変化しない。また、ＯＳＣ機能に基づいて放出されたＯ2がそのまま下流に移動するため、下流ＡＦセンサにおける検出空燃比がリーン側にシフトするおそれがある。このような理由で、フィルタがＯＳＣ機能のみ有し、触媒貴金属が担持されていない場合には、ＮＳＲ及び、フィルタの劣化判定の精度が低下するおそれがある。これに対し、本実施例においては排気管におけるフィルタの下流に酸化触媒（以下、ＣＣｏともいう。）と、ＣＣｏの温度を検出する温度センサを配置し、ＣＣｏにおけるＯ2とＣＯとの反応熱に基づいて、フィルタの劣化を判定することとした。【００７４】
図８には、本実施例における内燃機関及びその排気系、制御系の概略構成を示す。本実施例と実施例１との相違点は、上述のようにフィルタ２４がＯＳＣ機能を有するものの触媒貴金属が担持されていない点と、フィルタ２４の下流側にＣＣｏ２５が配置され、さらに下流側にはＣＣｏ２５の温度を検出する温度センサ２６が配置されている。なお、温度センサ２６はＣＣｏ２５から排出される排気の温度を検出するセンサであり、本実施例では、ＣＣｏ２５から排出される排気の直下流における温度はＣＣｏ２５の温度と同等と仮定している。【００７５】
図９は、フィルタ２４におけるＯＳＣ機能が正常な場合と劣化している場合について、排気の空燃比がリッチとなった場合の排気系の状態を示した図である。図９（Ａ）は、フィルタ２４のＯＳＣ機能が正常である場合、図９（Ｂ）はフィルタ２４のＯＳＣ機能が劣化している場合について示している。図９（Ａ）から分かるように、フィルタ２４のＯＳＣ機能が正常である場合には、リッチ雰囲気においてフィルタ２４のＯＳＣ機能に基づきＯ2が放出される。しかしながら触媒貴金属を有しないため、Ｏ2とＣＯとが反応しづらくＣＯが消費されづらい。そして、排気管５の下流側のＣＣｏ２５において、ＣＯとＯ2とが反応して発熱する。【００７６】
一方、図９（Ｂ）から分かるように、フィルタ２４のＯＳＣ機能が劣化している場合には、ＣＯ濃度は大きく変化しないものの、ＯＳＣ機能に基づいて放出されるＯ2が少ないために、ＣＣｏ２５における発熱量が減少する。本実施例においては、ＣＣｏ２５における発熱による温度上昇を温度センサ２６を用いて検出し、リッチ化制御中の検出温度の上昇が基準上昇温度ΔＴｓ以上となった場合にはフィルタ２４のＯＳＣ機能が正常であり、検出温度の上昇が基準上昇温度ΔＴｓ未満の場合にフィルタ２４のＯＳＣ機能が劣化していると判定する。ここで、基準上昇温度ΔＴｓは、リッチ化制御中に温度センサ２６により検出されたＣＣｏ２５の温度上昇がこれ以上の場合は、フィルタ２４のＯＳＣ機能が正常と判定できる閾値としての温度上昇であり、予め実験などにより定めておいてもよい。【００７７】
これによれば、フィルタ２４の下流側に設けられたＣＣｏ２５の温度上昇を検出するという簡単な方法で、触媒貴金属が担持されていないフィルタ２４のＯＳＣ機能の劣化を判定することができる。なお、本実施例においては、上記の方法で得られた温度上昇の値からフィルタ２４から放出されたＯ2の量を導出し、これに基づいて、下流ＡＦセンサ１５により検出された空燃比の値を補正してもよい。これによれば、下流ＡＦセンサ１５の検出精度の低下を補正することができ、ＮＳＲ１０におけるＮＯx吸蔵還元能の劣化についても、実施例１に示した方法で精度良く判定することが可能となる。【００７８】
なお、本発明においては、ＣＣｏ２５における発熱量に相当する物理量を導出し、ＣＣｏ２５における発熱量に基づいてフィルタ２４の劣化を判定するという趣旨に沿う限り、本実施例とは異なる演算を行ってもよいことは当然である。
【実施例３】
【００７９】
次に、本発明における実施例３について説明する。本実施例においては実施例２で説明した排気浄化システムにおいて、ＣＣｏ２５の発熱を検出するタイミングの最適化についての実施例について説明する。【００８０】
リッチ化制御において排気の空燃比をリーンからリッチに変更した直後について考える。この場合には、例えば排気中にリーン状態におけるＯ2が残存しており、リッチに切替え後にも、ＮＳＲ１０の下流側に残存Ｏ2が流れ続けている場合がある。そうすると、図１０（Ａ）に示すように、実施例２で説明した排気浄化システムにおいて、フィルタ２４におけるＯＳＣ機能の劣化の有無に拘らず、残存Ｏ2が多いためにフィルタ２４からＯＳＣ機能に基づくＯ2は放出されない場合がある。また、フィルタ２４におけるＯＳＣ機能の劣化の有無に拘らず、ＣＣｏ２５においては、残存Ｏ2と排気中のＣＯとが反応するため、発熱が生じ、温度センサ２６で検出される温度上昇が増加する。これにより、この状態においては、ＮＳＲ１０及びフィルタ１１の劣化の判定精度が低下することとなる。【００８１】
これに対し、本実施例においては、リッチ化制御の開始後、下流ＡＦセンサ１５によって検出された空燃比がストイキ以下になった後に、ＣＣｏ２５における発熱を検出することとした。これによれば、図１０（Ｂ）に示すように、リッチ化制御において排気の空燃比がリーンからリッチに切り替えられた後に、切り替え前のリーン状態からの残存Ｏ2がなくなってからＣＣｏ２５における発熱を検出することが可能となる。よって、フィルタ２４の劣化判定に対する残存Ｏ2の影響を低減でき、劣化検出の精度を向上させることができる。【００８２】
なお、上記の実施例においては、リッチ化制御の例としてＮＳＲ１０に対するＮＯx還元処理を挙げて説明したが、ＮＳＲ１０のＳＯx被毒回復処理におけるリッチ化制御に対して本発明を適用してもよい。また、本発明において、排気をリッチ化するための手段としては、内燃機関１における副噴射を行う手段の他、燃料供給手段として燃料添加弁を排気管５の上流ＡＦセンサ１４のさらに上流側に設ける手段を用いてもよい。【００８３】
また、上記の実施例においては、排気浄化システムにおいて上流側のＮＳＲ１０と下流側のフィルタ１１の２つの排気浄化装置が設けられた例について説明したが、本発明の思想から逸脱しない限り、排気浄化装置の配置や組合せを変更した排気浄化システムに本発明を適用してもよい。例えば、また、ＮＳＲ１０とフィルタ１１の上下流を入れ替えてもよいし、フィルタに吸蔵還元型ＮＯx触媒が担持されたＤＰＮＲを用いてもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１・・・内燃機関
５・・・排気管
１０・・・ＮＳＲ
１１・・・フィルタ
１４・・・上流ＡＦセンサ
１５・・・下流ＡＦセンサ
２０・・・ＥＣＵ
２１・・・還元量算出部
２２・・・ＯＳＣ算出部
２４・・・フィルタ
２５・・・ＣＣｏ
２６・・・温度センサ
【図１】
2010150408.tif 000003
【図２】
2010150408.tif 000004
【図３】
2010150408.tif 000005
【図４】
2010150408.tif 000006
【図５】
2010150408.tif 000007
【図６】
2010150408.tif 000008
【図７】
2010150408.tif 000009
【図８】
2010150408.tif 000010
【図９】
2010150408.tif 000011
【図１０】
2010150408.tif 000012
【国際調査報告】
2010150408.tif 000013
2010150408.tif 000014
2010150408.tif 000015
2010150408.tif 000016