(57)【要約】【課題】故障の要因をプラズマ生成装置とＨＣ選択還元触媒とで切り分けて特定できる排気浄化システムを提供すること。【解決手段】排気浄化システム２は、排気管３内にプラズマを生成するプラズマリアクタ８と、プラズマリアクタ８より下流側に設けられ、ＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＨＣ−ＳＣＲ触媒３４と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の下流側の排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ３９と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の下流側の排気中のＮＨ３濃度を検出するＮＨ３センサ３７と、ＮＯｘセンサ３９の検出値およびＮＨ３センサ３７の検出値に基づいて、プラズマリアクタ８又はＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の故障を判定するＥＣＵ５と、を備える。【選択図】図１
2013142350.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、当該排気通路内にプラズマを生成するプラズマ生成装置と、
前記プラズマ生成装置より下流側に設けられ、ＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＨＣ選択還元触媒と、を備える内燃機関の排気浄化システムであって、
前記ＨＣ選択還元触媒の下流側の排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段と、
前記ＨＣ選択還元触媒の下流側の排気中のＮＨ３濃度を検出するＮＨ３検出手段と、
前記ＮＯｘ検出手段の検出値および前記ＮＨ３検出手段の検出値に基づいて、前記プラズマ生成装置又は前記ＨＣ選択還元触媒の故障を判定する故障判定装置と、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】
前記故障判定装置は、前記ＨＣ選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度が所定の第１濃度以上であり、かつＮＨ３濃度が所定の第２濃度未満である場合には、前記プラズマ生成装置は故障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】
前記故障判定装置は、前記ＨＣ選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度が所定の第１濃度以上であり、かつＮＨ３濃度が所定の第２濃度以上である場合には、前記ＨＣ選択還元触媒は故障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４】
前記ＨＣ選択還元触媒の温度を検出する温度検出手段をさらに備え、
前記故障判定装置は、前記ＨＣ選択還元触媒の温度が所定の実行判定温度未満である場合には、前記プラズマ生成装置および前記ＨＣ選択還元触媒の故障を判定しないことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の内燃機関の排気浄化システム。
【請求項５】
前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段をさらに備え、
前記故障判定装置は、前記内燃機関が過渡運転状態である場合には、前記プラズマ生成装置および前記ＨＣ選択還元触媒の故障を判定しない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６】
前記排気通路のうち前記ＮＯｘ検出手段および前記ＮＨ３検出手段の検出箇所よりも下流側には、ＮＨ３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＮＨ３選択還元触媒が設けられることを特徴とする請求項１から５の何れか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。より詳しくは、排気通路内にプラズマを生成するプラズマ生成装置と、ＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＨＣ選択還元触媒とを備えた内燃機関の排気浄化システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムには、プラズマ生成装置を利用した技術が数多く提案されている。プラズマ発生装置で排気通路内にプラズマを発生させると、排気に含まれるＨＣやＮＯｘなどの成分が変化することから、プラズマ生成装置は、様々な排気浄化触媒と組み合わせることにより、排気の浄化を促進するために用いられることが多い。
【０００３】
特許文献１には、プラズマ生成装置の下流側に、リーン燃焼時に排出されるＮＯｘを吸蔵し、リッチ時に吸蔵ＮＯｘを放出して還元処理するＮＯｘ吸蔵還元触媒を設けたシステムが記載されている。このシステムでは、ＮＯｘ吸蔵還元触媒が劣化した場合には、プラズマ生成装置でプラズマを生成し、ＮＯをより硝酸塩になりやすいＮＯ２に酸化し、ＮＯｘ吸蔵還元触媒の劣化による浄化性能の落ち込みを補う。
【０００４】
また、例えば特許文献２には、触媒の劣化を判定する技術が開示されている。この技術では、還元剤の存在下で排気中のＮＯｘを還元するＮＯｘ触媒の下流に、排気のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを設け、還元剤が供給されたときのＮＯｘセンサの出力と、還元剤が供給されていないときのＮＯｘセンサの出力とを比較して触媒の劣化を判定する。したがって、特許文献２の劣化判定の技術を特許文献１のシステムに適用し、触媒の劣化によらず浄化性能を高く維持できるシステムを構築することが考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−１０４９７０号公報
【特許文献２】特許第３７９９７７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のシステムのようにプラズマ生成装置と触媒とを組み合わせたシステムでは、触媒の劣化だけでなくプラズマ生成装置の故障も生じ得る。このため、特許文献２の劣化判定の技術を適用しても、故障の要因をプラズマ生成装置によるものと触媒によるものとで正確に切り分けることができない。
【０００７】
本発明は、プラズマ生成装置と、排気中のＨＣを還元剤としてＮＯｘを還元するＮＯｘ選択還元触媒とを排気通路に配置して構成された排気浄化システムにおいて、故障の要因をプラズマ生成装置とＨＣ選択還元触媒とで切り分けて特定できる排気浄化システム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】
【０００８】
（１）上記目的を達成するため本発明は、内燃機関（例えば、後述のエンジン１）の排気通路（例えば、後述の排気管３）に設けられ、当該排気通路内にプラズマを生成するプラズマ生成装置（例えば、後述のプラズマリアクタ８）と、前記プラズマ生成装置より下流側に設けられ、ＨＣを還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＨＣ選択還元触媒（例えば、後述のＨＣ−ＳＣＲ触媒３４）と、を備える内燃機関の排気浄化システム（例えば、後述の排気浄化システム２）を提供する。このシステムは、前記ＨＣ選択還元触媒の下流側の排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出手段（例えば、後述のＮＯｘセンサ３９）と、前記ＨＣ選択還元触媒の下流側の排気中のＮＨ３濃度を検出するＮＨ３検出手段（例えば、後述のＮＨ３センサ３７）と、前記ＮＯｘ検出手段の検出値および前記ＮＨ３検出手段の検出値に基づいて、前記プラズマ生成装置又は前記ＨＣ選択還元触媒の故障を判定する故障判定装置（例えば、後述のＥＣＵ５）と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
（１）この発明では、排気通路にプラズマ生成装置およびＨＣ選択還元触媒を、上流側からこの順で設ける。プラズマ生成装置でプラズマを生成すると、排気中のＨＣからより高活性のアセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）が生成され、ＨＣ選択還元触媒では、このアセトアルデヒドを還元剤として排気中のＮＯｘが還元されるとともに、ＮＨ３が生成される。このような、プラズマ生成装置とＨＣ選択還元触媒を合わせたシステムでは、プラズマ生成装置に異常が生じると、ＮＯｘ浄化性能とＮＨ３生成機能が共に著しく低下する傾向がある。一方、ＨＣ選択還元触媒が熱劣化すると、ＮＨ３生成機能はさほど低下せずにＮＯｘ浄化性能のみ著しく低下する傾向がある。この発明では、ＮＯｘ検出手段とＮＨ３検出手段により、プラズマ生成装置とＨＣ選択還元触媒を合わせたシステムのＮＯｘ浄化性能とＮＨ３生成機能を観測することで、上記特性を利用しプラズマ生成装置の故障とＨＣ選択還元触媒の故障とを切り分けて判定できる。
【００１０】
（２）この場合、前記故障判定装置は、前記ＨＣ選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度が所定の第１濃度（例えば、後述の故障判定ＮＯｘ濃度）以上であり、かつＮＨ３濃度が所定の第２濃度（例えば、後述の触媒異常判定濃度）未満である場合には、前記プラズマ生成装置は故障していると判定することが好ましい。
【００１１】
（２）ＨＣ選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度が第１濃度以上である場合、プラズマ生成装置とＨＣ選択還元触媒の少なくとも何れかが故障していると判断できる。また、ＮＨ３濃度が第２濃度未満である場合、アセトアルデヒドの生成量に異常があると考えられることから、ＮＯｘ浄化性能の低下の要因はプラズマ生成装置によるものと判定でき、したがってプラズマ生成装置は故障していると判定できる。
【００１２】
（３）この場合、前記故障判定装置は、前記ＨＣ選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度が所定の第１濃度（例えば、後述の故障判定ＮＯｘ濃度）以上であり、かつＮＨ３濃度が所定の第２濃度（例えば、後述の触媒異常判定濃度）以上である場合には、前記ＨＣ選択還元触媒は故障していると判定することが好ましい。
【００１３】
（３）ＨＣ選択還元触媒下流の排気のＮＯｘ濃度が第１濃度以上である場合、プラズマ生成装置とＨＣ選択還元触媒の少なくとも何れかが故障していると判断できる。また、ＮＨ３濃度が第２濃度以上である場合、アセトアルデヒドの生成量に異常はないと考えられることから、ＮＯｘ浄化性能の低下の要因はプラズマ生成装置の故障によるものではないと判定でき、したがってＨＣ選択還元触媒は故障していると判定できる。
【００１４】
（４）この場合、前記排気浄化システムは、前記ＨＣ選択還元触媒の温度を検出する温度検出手段（例えば、後述の触媒温度センサ３８）をさらに備え、前記故障判定装置は、前記ＨＣ選択還元触媒の温度が所定の実行判定温度（例えば、後述のＨＣ選択還元触媒の活性温度）未満である場合には、前記プラズマ生成装置および前記ＨＣ選択還元触媒の故障を判定しないことが好ましい。
【００１５】
（４）この発明によれば、プラズマ生成装置およびＨＣ選択還元触媒の故障を判定するタイミングとして、ＨＣ選択還元触媒によるＮＯｘ浄化性能やＮＨ３生成機能が十分でない低温の状態を除外することにより、故障の判定精度をさらに向上できる。
【００１６】
（５）この場合、前記排気浄化システムは、前記内燃機関の運転状態を検出する運転状態検出手段（例えば、後述のクランク角度位置センサやアクセル開度センサなど）をさらに備え、前記故障判定装置は、前記内燃機関が過渡運転状態である場合には、前記プラズマ生成装置および前記ＨＣ選択還元触媒の故障を判定しないことが好ましい。
【００１７】
（５）この発明によれば、プラズマ生成装置およびＨＣ選択還元触媒の故障を判定するタイミングとして、内燃機関から排出されるＮＯｘ量やＨＣ量が大きく変動する過渡運転状態を除外することにより、故障の判定精度をさらに向上できる。
【００１８】
（６）この場合、前記排気通路のうち前記ＮＯｘ検出手段および前記ＮＨ３検出手段の検出箇所よりも下流側には、ＮＨ３を還元剤として排気中のＮＯｘを還元するＮＨ３選択還元触媒（例えば、後述のＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５）が設けられることが好ましい。
【００１９】
（６）この発明によれば、ＮＯｘ検出手段およびＮＨ３検出手段の検出箇所よりも下流側にＮＨ３選択還元触媒を設けることにより、ＨＣ選択還元触媒で生成されたＮＨ３を利用してＮＯｘを還元できるので、プラズマ生成装置とＨＣ選択還元触媒とＮＨ３選択還元触媒とを合わせたシステム全体のＮＯｘ浄化性能をさらに向上できる。また、ＮＨ３選択還元触媒を備えた排気浄化システムでは、ＮＨ３選択還元触媒のＮＨ３吸着量を制御するためにＮＨ３選択還元触媒に流入するＮＨ３量を観測する必要がある。この発明では、プラズマ生成装置およびＨＣ選択還元触媒の故障を判定するためのＮＨ３検出手段を、ＮＨ３選択還元触媒のＮＨ３吸着量を制御するためのものとして流用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るエンジンとその排気浄化システムの構成を示す模式図である。
【図２】上記実施形態に係るプラズマリアクタの概略構成を示す斜視図である。
【図３】上記プラズマリアクタの断面図である。
【図４】上記プラズマリアクタへの供給電力量とそのＮＯｘ浄化率との関係を示す図である。
【図５】上記プラズマリアクタへの供給電力量とアセトアルデヒドの生成量との関係を示す図である。
【図６】アルミナによるアセトアルデヒドの吸着モデルを示す図である。
【図７】ＡｇによるＮＯ２の再酸化を示す図である。
【図８】上記プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とその温度との関係を示す図である。
【図９】上記プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流のＮＨ３濃度と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度との関係を示す図である。
【図１０】上記ＨＣ−ＳＣＲ触媒を正常状態から異常状態に変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率とその温度との関係を示す図である。
【図１１】上記ＨＣ−ＳＣＲ触媒を正常状態から異常状態に変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流のＮＨ３濃度と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度との関係を示す図である。
【図１２】上記排気浄化システムにおけるプラズマリアクタおよびＨＣ−ＳＣＲ触媒の故障判定処理の手順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】
【００２１】
以下、本発明の一実施形態を、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る内燃機関（以下、「エンジン」という）１と、その排気を浄化する排気浄化システム２の構成を示す模式図である。
【００２２】
エンジン１の排気浄化システム２は、エンジン１の排気管３に設けられたプラズマリアクタ８と、プラズマリアクタ８の下流側に設けられたＨＣ−選択還元触媒３４と、ＨＣ選択還元触媒３４の下流側に設けられたＮＨ３選択還元触媒３５と、エンジン１およびプラズマリアクタ８を制御する電子制御ユニット（以下、「ＥＣＵ」という）と、を含んで構成される。
【００２３】
エンジン１は、リーンバーン運転方式のガソリンエンジン又はディーゼルエンジンであり、図示しない車両に駆動源として搭載されている。エンジン１の燃料噴射弁、吸気弁および排気弁など（図示せず）はＥＣＵ５に接続されており、燃料噴射量、燃料噴射タイミング、点火タイミング、吸気弁や排気弁の開閉タイミングなどはＥＣＵ５によって制御される。
【００２４】
以下、排気管３に設けられたプラズマリアクタ８、ＨＣ選択還元触媒（以下、「ＨＣ−ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒」という）３４、およびＮＨ３選択還元触媒（以下、「ＮＨ３−ＳＣＲ触媒」という）の詳細な構成について順に説明する。
【００２５】
図２は、プラズマリアクタ８の概略構成を示す斜視図である。図３は、プラズマリアクタ８の断面図である。
プラズマリアクタ８は、排気管３内に収容された複数の円筒状のプラズマ放電ユニット８１と、これら複数の放電ユニット８１によりプラズマを発生させるための高圧電源８２と、高圧電源８２の電力を放電ユニット８１に供給する第１給電プラグ８３ａおよび第２給電プラグ８３ｂと、給電プラグ８３ａ，８３ｂと複数の放電ユニット８１とを電気的に接続する第１接続部材８４ａおよび第２接続部材８４ｂと、を含んで構成される。このプラズマリアクタ８は、図２においては紙面手前側から奥へ向けて、図３においては左から右へ向けて排気が流通するように、排気管３内に組み込まれる。
【００２６】
各放電ユニット８１は、排気の流通方向に沿って設けられた円筒状の外周電極８１ａと、電極８１１の中心に同軸に設けられた線状又は棒状の内部電極８１ｂとの電極対によって構成される。
【００２７】
排気管３のうち、放電ユニット８１よりも上流側には図示しない第１プラグホールが形成された第１プラグ取付部３１ａが設けられ、放電ユニット８１よりも下流側には図示しない第２プラグホールが形成された第２プラグ取付部３１ｂが設けられている。給電プラグ８３ａ，８３ｂは、これらプラグ取付部３１ａ，３１ｂのプラグホール内に螺合することにより、各々の先端部が排気管３内の放電ユニット８１の上流側および下流側に臨むように、鉛直方向に沿って排気管３に装着される。
【００２８】
図３に示すように、第１接続部材８４ａは、放電ユニット８１の上流側に設けられ、各放電ユニット８１の内部電極８１ｂの上流側の端部と第１給電プラグ８３ａとを電気的に接続する。第２接続部材８４ｂは、放電ユニット８１の下流側に設けられ、各放電ユニット８１の内部電極８１ｂの下流側の端部と第２給電プラグ８３ｂとを電気的に接続する。
【００２９】
高圧電源８２は、磁気スイッチを備えた高圧パルス電源である。高圧電源８２はＥＣＵ５に接続されており（図１参照）、放電ユニット８１への供給電力量やパルス幅などはＥＣＵ５によって制御される。
【００３０】
第１給電プラグ８３ａおよび第２給電プラグ８３ｂは、ともに高圧電源８２に並列に、すなわち高圧電源８２の同電位極に接続され、各放電ユニット８１の外周電極８１ａは接地される。すなわち、本実施形態のプラズマリアクタ８は、放電ユニット８１の内部電極８１ｂの両端を、接続部材８４ａ，８４ｂを介して２本の給電プラグ８３ａ，８３ｂで保持し、両側から高圧電源８２の電力を供給する所謂両持ち式のものである。この両持ち式のプラズマリアクタ８によれば、放電ユニット８１の上流側から下流側までプラズマの強度を均質にでき、かつプラズマの発生の時間差を小さくすることができる。また、２本の給電プラグ８３ａ，８３ｂで各内部電極８１ｂを保持することにより、内部電極８１ｂの位置を外周電極８１ａの中心に維持することができる。
【００３１】
図１に戻って、以上のように構成されたプラズマリアクタ８によれば、高圧電源８２から電力を供給し、排気管３内にプラズマを生成することにより、排気中のＨＣをより高活性の還元剤であるアセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）に変換するとともに、排気中のＮＯをＮＯ２に酸化し、下流側に設けられたＨＣ−ＳＣＲ触媒３４やＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５におけるＮＯｘの還元を促進することができる。また、プラズマリアクタ８への供給電力量をさらに大きくすると、プラズマリアクタ８単体で排気中のＨＣやＮＯｘをＣＯ２やＮ２に直接分解することができる。したがって、例えば、下流側の触媒３４，３５が活性に達していないエンジン始動直後には、触媒３４，３５によらずプラズマリアクタ８単体でＨＣやＮＯｘを浄化することができる。
【００３２】
次に、プラズマリアクタによるＮＯｘ浄化性能およびアセトアルデヒド生成能力について、本実施形態に係るプラズマリアクタ８と従来のプラズマリアクタとを比較して説明する。ここで、従来のプラズマリアクタとは、プラグ放電ユニットの内部電極を一方側のみを給電プラグで保持し、この一方側のみから電力を供給する所謂片持ち式のものを用い、高圧電源としてＳＩサイリスタを備えた高圧パルス電源を用いた例をいう。また、高圧電源のパルス幅は、本実施形態のプラズマリアクタは１００［ｎｓｅｃ］とし、従来のプラズマリアクタは２５０〜３００［ｎｓｅｃ］とした。
【００３３】
図４は、プラズマリアクタへの供給電力量［Ｗ］とそのＮＯｘ浄化率［％］との関係を示す図である。なお、図４のＮＯｘ浄化率とは、ＨＣ−ＳＣＲ触媒やＮＨ３−ＳＣＲ触媒が活性する前の低温環境下におけるプラズマリアクタ単体のＮＯｘ浄化率を示す。また、図４に示す結果は、混合気の空燃比をストイキ近傍にしたストイキ燃焼時における排気のモデルガスを、プラズマリアクタに１０［Ｌ／ｍｉｎ］で供給して得られたものである。
図４に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてＮＯｘ浄化率も高くなる。また、本実施形態のようにパルス幅を短くすることにより、従来のプラズマリアクタと比較してより少ない供給電力量で高いＮＯｘ浄化性能が得られる。
【００３４】
図５は、プラズマリアクタへの供給電力量［Ｗ］とアセトアルデヒドの生成量［ｐｐｍＣ］との関係を示す図である。この図５に示す結果は、混合気の空燃比をストイキよりリーン側にしたリーン燃焼時における排気のモデルガスを２０［Ｌ／ｍｉｎ］で供給して得られたものである。なお、このモデルガスのＨＣ濃度は、２２００［ｐｐｍＣ］であった。
図５に示すように、プラズマリアクタへの供給電力量を大きくすると、これに応じてアセトアルデヒドの生成量も増加する。また、本実施形態のように、パルス幅を短くすることにより、より少ない供給電力量で効率的にアセトアルデヒドが生成される。また、従来のプラズマリアクタでは、供給電力量の増加に従いアセトアルデヒドの生成量は緩やかに大きくなるのに対し、本実施形態のプラズマリアクタによれば、供給電力量の小さな領域からアセトアルデヒドの生成量が鋭く立ち上がる。
【００３５】
図１に戻って、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４は、プラズマリアクタ３１より下流側に設けられ、排気中のＨＣやＣＨ３ＣＨＯを還元剤として排気中のＮＯｘを還元する。以下、詳細に説明するように、上記プラズマリアクタに電力を供給することで生成されたアセトアルデヒドから、後述のＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５における還元剤となるＮＨ３を効率的に生成するため、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の触媒材料にはＡｇ／Ａｌ２Ｏ３を用いることが好ましい。
【００３６】
先ず、プラズマリアクタで生成されたアセトアルデヒド（ＣＨ３ＣＨＯ）が流入すると、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４では、これを還元剤として下記式（１）に示す反応により、排気中のＮＯ２を還元する反応が進行する。
２ＣＨ３ＣＨＯ＋４ＮＯ２＋Ｏ２→４ＣＯ２＋２Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ    （１）
【００３７】
このＣＨ３ＣＨＯによるＮＯ２の還元反応は、例えば、以下のような素反応に分解される。特に式（４）は、ＣＨ３ＮＯ２からＮＨ３を生成する反応となっている。
ＣＨ３ＣＨＯ＋ＮＯ２→ＣＨ３ＣＯＯＨ＋ＮＯ    （２）
ＣＨ３ＣＯＯＨ＋２ＮＯ２→ＣＨ３ＮＯ２＋ＣＯ２＋ＨＮＯ２    （３）
ＣＨ３ＮＯ２→ＮＨ３＋ＣＯ２    （４）
ＨＮＯ２＋ＮＨ３→ＮＨ４ＮＯ２    （５）
ＮＨ４ＮＯ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ    （６）
【００３８】
ここで式（４）に示すように、ＮＨ３の生成にはＣＨ３ＮＯ２が必要となっている。このＣＨ３ＮＯ２は、図６に示すように、プラズマリアクタで生成されたアセトアルデヒドを、触媒材料として選定したアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に吸着させ、ＮＯ２の求核攻撃を進行させることにより生成することができる（式（２）および（３）参照）。
また、このようにＮＨ３を生成するために必要な反応式（２）では、ＮＯが生成されるところ、上記アルミナ上に高分散化したＡｇにより、生成されたＮＯをより反応性の高いＮＯ２に再酸化することができる（図７参照）。すなわち、触媒材料としてＡｇを選定することにより、上記ＣＨ３ＮＯ２ひいてはＮＨ３の生成に必要なＮＯ２を再酸化して生成することができる。
以上のような理由から、ＮＨ３を効率的に生成するためにはＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の触媒材料として、Ａｇ／Ａｌ２Ｏ３を用いることが好ましい。
【００３９】
次に、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の作成手順について説明する。
先ず、Ａｇ／Ａｌ２Ｏ３４質量％となるように、ベーマイト（Ｓａｓｏｌ社製）と硝酸銀（和光純薬社製）水溶液をイオン交換水に加え、減圧乾燥後２００℃にて一晩に亘り乾燥する。その後、４５０℃で４時間焼成することにより、４質量％の触媒Ａｇ／Ａｌ２Ｏ３を合成する。
次に、上記触媒、イオン交換水、アルミナボール、およびバインダ（例えば、日産化学アルミナゾル５２０）をアルミナ質量換算で、上記触媒に対し質量比で１０％となるようにポリ瓶に加え、これを一晩攪拌しスラリーを作成する。
次に、例えば、１ｉｎｃｈ×６ｃｍのＣｄハニカム構造体（４００セル、３．５ミル）を準備し、これに触媒量２００ｇ／Ｌとなるようにスラリーを担持させた後、６００℃で２時間に亘って焼成する。
【００４０】
ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４は、以上のような手順で作成されたものが用いられるが、本発明はこれに限るものではない。なお、後述の図８〜図１１に示すデータは、以上のような手順で製造されたＨＣ−ＳＣＲ触媒３４を用いて得られたものである。
【００４１】
図１に戻って、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の下流側に設けられ、上述のようにしてＨＣ−ＳＣＲ触媒３４において生成されたＮＨ３を還元剤として、排気中のＮＯｘを還元する。ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５におけるＮＯｘの還元反応の反応式は、例えば下記式（７）、（８）、（９）で示される。
ＮＯ＋ＮＯ２＋２ＮＨ３→２Ｎ２＋３Ｈ２Ｏ    （７）
４ＮＯ＋４ＮＨ３＋Ｏ２→４Ｎ２＋１６Ｈ２Ｏ    （８）
６ＮＯ２＋８ＮＨ３→７Ｎ２＋１６Ｈ２Ｏ    （９）
【００４２】
ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５は、鉄ゼオライト又は銅ゼオライトを備えており、これにより流入したＮＨ３又はＮＯｘの還元に余剰となったＮＨ３を所定の量だけ吸着する機能を有する。ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５に流入するＮＯｘ量が多くなったときには、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５に吸着されたＮＨ３が適宜消費される。このため、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５のＮＯｘ浄化性能を高く維持するためには、そのＮＨ３の吸着量をできるだけ高く維持することが好ましいといえる。
【００４３】
しかしながら、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５におけるＮＨ３の吸着量には限界がある。このため、限界吸着量を超えてＮＨ３が流入すると、ＮＯｘの還元にも供されずまた吸着されなかったＮＨ３が下流側へ排出されてしまう（ＮＨ３スリップ）。このため、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５を備えたシステムでは、ＮＯｘ浄化性能の向上とＮＨ３スリップの抑制とを両立するには、ＮＨ３吸着量をその限界吸着量を超えない程度に大きく維持することが好ましい。
【００４４】
ＥＣＵ５には、排気浄化システム２の状態を検出するためのセンサとして、ＮＨ３センサ３７と触媒温度センサ３８とＮＯｘセンサ３９とが接続されている。ＮＨ３センサ３７は、排気管３のうち、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４とＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５との間の排気中のＮＨ３濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。触媒温度センサ３８は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の温度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。ＮＯｘセンサ３９は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４とＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５との間の排気中のＮＯｘ濃度を検出し、検出値に略比例した信号をＥＣＵ５に送信する。これら、ＮＨ３センサ３７、ＮＯｘセンサ３９および触媒温度センサ３８には、従来既知のものが用いられる。
【００４５】
ところで、車載用のＮＯｘセンサには、排気中のＮＯｘだけでなくＮＨ３にも感応するものが広く用いられている。このようなＮＨ３に横感応性を有するＮＯｘセンサを用いる場合には、例えば、ＥＣＵ５では、ＮＯｘセンサの検出値からＮＨ３センサの検出値を減算するなどして、ＮＯｘセンサの検出値からＮＨ３の影響を取り除いておくことが好ましい。
【００４６】
この他、ＥＣＵ５には、エンジン１の運転状態を検出するためのセンサとして、クランクシャフトの回転角度を検出するクランク角度位置センサ（図示せず）やアクセルペダルの踏み込み量を検出するアクセル開度センサ（図示せず）などが接続されている。エンジン回転速度や要求トルクなどエンジン１の運転状態を示すパラメータは、これらセンサからの出力値に基づいて、ＥＣＵ５により算出される。
【００４７】
プラズマリアクタ８、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４、およびＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５を上流側からこの順で排気管３内に設けられた排気浄化システム２では、主に以下の３つの態様（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）で排気中のＮＯｘを浄化することが可能となっている。
【００４８】
（Ａ）触媒３４，３５の活性前
先ず、触媒３４，３５が活性に達する前の低温環境下にある場合は、図４を参照して説明したように、プラズマリアクタ８に比較的大きな電力を供給することにより、プラズマリアクタ８単体でＮＯｘを還元することができる。
【００４９】
（Ｂ）プラズマリアクタＯＦＦ時
また、プラズマリアクタ８への電力の供給を停止している間は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４では排気中のＨＣを還元剤としてＮＯｘが還元され、またＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５では吸着されたＮＨ３を還元剤としてＮＯｘが還元される。
【００５０】
（Ｃ）プラズマリアクタＯＮ時
一方、プラズマリアクタ８に電力を供給している間は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４にはプラズマリアクタ８により生成されたアセトアルデヒドが流入する。ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４では、ＨＣと、ＨＣより高活性のアセトアルデヒドと、を還元剤としてＮＯｘが還元されるとともに、アセトアルデヒドからＮＨ３が生成される。このＮＨ３はＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５に流入し、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５では、流入したＮＨ３や吸着されたＮＨ３を還元剤として排気中のＮＯｘが還元される。また、流入したＮＨ３のうち、ＮＯｘの還元に余剰となったＮＨ３は、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５に吸着される。
【００５１】
次に、上記（Ｃ）のプラズマリアクタＯＮ時における排気浄化システムの浄化性能について、リーン燃焼時の排気のモデルガスを利用して得られた試験結果（図８〜図１１）を参照して具体的に説明する。
図８は、プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率［％］とその温度［℃］との関係を示す図である。
図９は、プラズマリアクタＯＮ時に生成されるアセトアルデヒドのＨＣ−ＳＣＲ触媒への流入量を変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流のＮＨ３濃度［ｐｐｍ］と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度［℃］との関係を示す図である。
なお、これら図８および図９には、プラズマリアクタに不具合が生じることによるアセトアルデヒド生成量の変化のＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成機能への影響を明らかにするため、モデルガスのアセトアルデヒド濃度を２５０［ｐｐｍＣ］と５００［ｐｐｍＣ］にした場合を示す。
【００５２】
図１０は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒を正常状態（新品の状態）から異常状態（熱負荷がかかった状態）に変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒のＮＯｘ浄化率［％］とその温度［℃］との関係を示す図である。
図１１は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒を正常状態（新品の状態）から異常状態（熱負荷がかかった状態）に変化させたときにおける、ＨＣ−ＳＣＲ触媒下流のＮＨ３濃度［ｐｐｍ］と、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度［℃］との関係を示す図である。
なお、これら図１０および図１１には、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の熱劣化によるＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成機能への影響を明らかにするため、新品のもの、６００［℃］で３５時間にわたりエージングしたもの、７００［℃］で８時間にわたりエージングしたもの、および８００［℃］で２．４時間にわたりエージングしたものを示す。
【００５３】
図８および図９に示すように、ＮＯｘ浄化率は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度を高くするに従い高くなり、ＮＨ３の生成量もＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度を高くするに従って増加する。また、これら図８および図９に示すように、アセトアルデヒドの生成量が少なくなると、ＮＯｘ浄化率およびＮＨ３生成量共に全温度領域で低下する。すなわち、指令に応じた電力が供給されない場合や供給電力量に応じたプラズマが生成されない場合などプラズマリアクタが故障し、その結果として図５に示すようにＨＣ−ＳＣＲ触媒に流入するアセトアルデヒドの量が減少した場合には、ＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成機能は共に低下する。
【００５４】
また、図１０および図１１に示すように、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の熱劣化が進行すると、ＮＯｘ浄化率は触媒の劣化の進行度合いに応じて全温度領域で大きく低下するのに対し、ＮＨ３生成量は、ＮＯｘ浄化率ほどには低下しない。すなわち、ＨＣ−ＳＣＲ触媒が熱劣化により故障した場合には、主にＮＯｘ浄化性能が大きく低下する。
【００５５】
図１２は、排気浄化システムにおけるプラズマリアクタおよびＨＣ−ＳＣＲ触媒の故障判定処理の手順を示すフローチャートである。図１２に示す処理は、ＥＣＵにおいて所定の演算周期で実行される。
【００５６】
Ｓ１では、プラズマリアクタを作動させている最中であるか否かを判別する。この判別がＹＥＳの場合にはＳ２に移り、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度が、その活性温度（例えば、３５０℃）より高いか否かを判別する。Ｓ２の判別がＹＥＳの場合にはＳ３に移り、エンジン回転速度および要求トルクが共に略一定の定常運転状態であるか否かを判別する。
【００５７】
Ｓ３の判別がＹＥＳである場合には、プラズマリアクタおよびＨＣ−ＳＣＲ触媒の故障の判定に適した時期であると判断し、Ｓ４以降の具体的な処理に移る。一方、Ｓ１−Ｓ３の判別のうち何れかがＮＯである場合、すなわち、プラズマリアクタの非通電時、ＨＣ−ＳＣＲ触媒が活性に達しておらずそのＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成機能が十分に発現していない時、又はエンジンが過渡運転状態にありＮＯｘ排出量やＨＣ排出量が安定していない時には、Ｓ４以降の具体的な判定処理を行うことなく、この処理を終了する。
【００５８】
Ｓ４では、ＮＯｘセンサの検出値に基づいて、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の下流側の排気のＮＯｘ濃度が、所定の故障判定ＮＯｘ濃度より低いか否かを判別する。この故障判定ＮＯｘ濃度とは、プラズマリアクタとＨＣ−ＳＣＲ触媒とを合わせたシステム一部が、ＮＯｘを浄化するシステムとして正常に作動しているか否かを判別するために設定された閾値であり、例えば６０ｐｐｍに設定される。したがって、Ｓ４の判別がＹＥＳである場合には、Ｓ５に移り、プラズマリアクタおよびＨＣ−ＳＣＲ触媒は共に正常であると判断した後、この処理を終了する。なお、故障判定ＮＯｘ濃度の具体的な値は、プラズマリアクタとＨＣ−ＳＣＲ触媒とを合わせたシステム一部の性能を左右する要因、より具体的にはプラズマリアクタへの供給電力量やＨＣ−ＳＣＲ触媒の温度などに応じて変更してもよいし、固定値としてもよい。
【００５９】
Ｓ４の判別がＮＯの場合には、プラズマリアクタとＨＣ−ＳＣＲ触媒の何れかが故障していると判断し、どちらが故障しているかを切り分けるべくＳ６に移る。Ｓ６では、ＮＨ３センサの出力に基づいて、ＨＣ−ＳＣＲ触媒の下流側の排気のＮＨ３濃度が、所定の触媒異常判定濃度より高いか否かを判別する。図８〜図１１を参照して説明したように、プラズマリアクタが故障した場合、ＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成機能は共に低下するのに対し、ＨＣ−ＳＣＲ触媒が故障した場合、ＮＯｘ浄化性能が主に低下すると考えられる。
【００６０】
したがって、Ｓ６の判別がＹＥＳである場合、すなわちＮＯｘ浄化性能のみの低下が著しい場合には、Ｓ７に移りＨＣ−ＳＣＲ触媒が異常であると判定した後、この処理を終了する。一方、Ｓ６の判別がＮＯである場合、すなわちＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成機能ともに低下が著しい場合には、Ｓ８に移りプラズマリアクタが異常であると判定した後、この処理を終了する。なお、これらＳ７やＳ８において異常が判定された後は、運転者に対し異常を示す装置の修理を促すべく警告灯を点灯したり、異常によるＮＯｘ浄化性能の低下を補う処理を実行したりする（図示せず）。
【００６１】
以上詳述した排気浄化システム２によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態の排気浄化システム２では、ＮＯｘセンサ３９とＮＨ３センサ３７により、プラズマリアクタ８とＨＣ−ＳＣＲ触媒３４を合わせたシステム一部のＮＯｘ浄化性能とＮＨ３生成機能を観測することで、図８−図１１に示す特性を利用しプラズマリアクタ８の故障とＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の故障とを切り分けて判定できる。
【００６２】
（２）本実施形態の排気浄化システム２によれば、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４下流の排気のＮＯｘ濃度が故障判定ＮＯｘ濃度以上であり、かつＮＨ３濃度が触媒異常判定濃度未満である場合、アセトアルデヒドの生成量に異常があると考えられることから、ＮＯｘ浄化性能の低下の要因はプラズマ生成装置によるものと判定でき、したがってプラズマリアクタ８は故障していると判定できる。
【００６３】
（３）本実施形態の排気浄化システム２によれば、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４下流の排気のＮＯｘ濃度が故障判定ＮＯｘ濃度以上であり、かつＮＨ３濃度が触媒異常判定濃度以上である場合、アセトアルデヒドの生成量に異常はないと考えられることから、ＮＯｘ浄化性能の低下の要因はプラズマリアクタ８の故障によるものではないと判定でき、したがってＨＣ−ＳＣＲ触媒３４は故障していると判定できる。
【００６４】
（４）本実施形態の排気浄化システム２によれば、プラズマリアクタ８およびＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の故障を判定するタイミングとして、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４によるＮＯｘ浄化性能やＮＨ３生成機能が十分でない、活性温度以下の低温の状態を除外することにより、故障の判定精度をさらに向上できる。
【００６５】
（５）本実施形態の排気浄化システム２によれば、プラズマリアクタ８およびＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の故障を判定するタイミングとして、エンジンから排出されるＮＯｘ量やＨＣ量が大きく変動する過渡運転状態を除外することにより、故障の判定精度をさらに向上できる。
【００６６】
（６）本実施形態の排気浄化システム２によれば、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５を設けることにより、ＨＣ−ＳＣＲ触媒３４で生成されたＮＨ３を利用してＮＯｘを還元できるので、システム全体のＮＯｘ浄化性能をさらに向上できる。また、プラズマリアクタ８およびＨＣ−ＳＣＲ触媒３４の故障を判定するためのＮＨ３センサ３７を、ＮＨ３−ＳＣＲ触媒３５のＮＨ３吸着量を制御するためのものとして流用することができる。
【００６７】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明はこれに限るものではない。
例えば、図１２のＳ３において定常運転状態であると判定された後、Ｓ４−Ｓ８の故障判定を行う間は、ＨＣ−ＳＣＲ触媒に流入するアセトアルデヒドの量を一時的に過剰にしてもよい。このように、アセトアルデヒドの量を一時的に増加し、ＨＣ−ＳＣＲ触媒におけるＮＯｘ浄化性能およびＮＨ３生成機能を共に一時的に高くすることにより、システムが異常な状態と正常な状態とをより明確に切り分けることができるので、故障の判定精度をさらに向上できる。なお、ＨＣ−ＳＣＲ触媒に流入するアセトアルデヒドの量は、プラズマリアクタへの供給電力量を増加したり、エンジンの運転条件（吸気弁および排気弁の開閉タイミング、点火タイミング、混合気の空燃比、排気還流量など）を調整しプラズマリアクタへ流入するＨＣ量を増加したりすることにより、一時的に増加することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１…エンジン（内燃機関）
２…排気浄化システム
３…排気管（排気通路）
３４…ＨＣ−ＳＣＲ触媒（ＨＣ選択還元触媒）
３５…ＮＨ３−ＳＣＲ触媒（ＮＨ３選択還元触媒）
３７…ＮＨ３センサ（ＮＨ３検出手段）
３８…触媒温度センサ（温度検出手段）
３９…ＮＯｘセンサ（ＮＯｘ検出手段）
５…ＥＣＵ（故障判定装置）
８…プラズマリアクタ（プラズマ生成装置）
【図１】
2013142350.tif 000003
【図２】
2013142350.tif 000004
【図３】
2013142350.tif 000005
【図４】
2013142350.tif 000006
【図５】
2013142350.tif 000007
【図６】
2013142350.tif 000008
【図７】
2013142350.tif 000009
【図８】
2013142350.tif 000010
【図９】
2013142350.tif 000011
【図１０】
2013142350.tif 000012
【図１１】
2013142350.tif 000013
【図１２】
2013142350.tif 000014