(57)【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て排出される排気を浄化する触媒と、この触媒に流入する排気温度を測定する触媒流入排気温度測定手段と、前記触媒の床温度を測定する触媒床温度測定手段と、劣化していない触媒のライトオフ温度以上である所定の判定温度に触媒床温度が達した時に前記触媒に還元剤を添加する還元剤添加手段と、前記還元剤添加手段により還元剤を触媒に添加した際の触媒流入排気温度に対する触媒床温度の差を検出する差分温度検出手段と、前記差分温度検出手段により検出された温度差が所定の温度差より小さい場合に該触媒が劣化していると判定する劣化判定手段と、を備え、
前記劣化判定手段は、前記差分温度検出手段により検出された温度差が前記所定の温度差より小さく且つ零よりも大きい場合には前記触媒が劣化しているか否かの判定を行わず、前記差分温度検出手段により検出された温度差が零以下の場合には前記触媒が劣化していると判定することを特徴とする排気浄化装置の劣化判定装置。
【請求項２】
前記判定温度は、前記劣化していない触媒のライトオフ温度以上であって且つ該ライトオフ温度近傍の温度であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の劣化判定装置。
【請求項３】
前記判定温度は、前記劣化していない触媒のライトオフ温度以上であって且つ劣化している触媒のライトオフ温度未満の温度であることを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の劣化判定装置。
【請求項４】
前記排気浄化装置は、流入する排気が酸素濃度過剰状態の時に排気中に存在する窒素酸化物をその駆体に吸蔵し、同じく流入する排気が酸素濃度希薄状態の時に駆体に吸蔵した窒素酸化物を放出還元する吸蔵還元機能を有すると共に前記窒素酸化物の吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段を有し、前記吸蔵量推定手段により窒素酸化物の吸蔵量が所定量以下と推定されたならば、還元剤添加手段による還元剤の添加が行われないことを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の排気浄化装置の劣化判定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は内燃機関の排気浄化装置に関し、特にその劣化判定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
排気中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する触媒の一つとして、酸素濃度過剰（リーン）状態でＮＯｘを吸蔵し、排気中に還元剤である燃料を添加して酸素濃度希薄（リッチ）状態にした時に吸蔵したＮＯｘを放出し、活性化された触媒（Ｐｔ等）により燃料（ＨＣ）と反応させ、Ｎ2に還元して外気に排出する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒がある。
【０００３】
このＮＯｘ触媒は、前記のように排気中のＮＯｘをリーンの時に吸蔵、リッチの時に放出するＮＯｘ吸蔵剤と、還元剤である燃料により活性化されて、排出されたＮＯｘに酸化還元反応を起こさせる貴金属触媒とから構成され、それぞれ吸蔵放出機能、活性化機能を組み合わせて排気を浄化している。
【０００４】
これらの劣化を判定するにあたり、従来例としては、特開平１１−２２９８５９号公報にあるように、ＮＯｘ触媒において、該触媒に設けた温度センサと該触媒下流に設けたＮＯｘセンサを用いて、このＮＯｘセンサ及び温度特定手段である温度センサの経時情報に応じたＮＯｘ触媒の高温時及び低温時のＮＯｘ浄化状態に基づいて触媒劣化を判定する方法や、特開平７−２０８１５１号公報にあるように、ＮＯｘ触媒下流に設けたＮＯｘセンサを用いて、該触媒でＮＯｘ排出完了後に前記ＮＯｘセンサで感知するＮＯｘ濃度に応じて出力する出力値が所定値まで上昇するまでの時間が所定時間以下の場合に触媒劣化と判定する方法等がある。
【０００５】
これらの劣化判定方法では、何れも排気中のＮＯｘ濃度を用いて触媒の劣化を判定するものであり、つまりはＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを用いて触媒の劣化を判定する必要がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記の劣化判定に用いられているＮＯｘセンサは、そのＮＯｘ濃度の測定の精度が高いものが未だ実用レベルにないものであるため、実際にＮＯｘセンサを用いて劣化判定を行う場合には、極めてコスト高になるか、若しくはその劣化判定精度が低下するものであった。
【０００７】
本発明は前記の問題を鑑みて、ＮＯｘセンサを用いずに触媒のＮＯｘ浄化能力の劣化を判定することを課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、内燃機関の排気系に設けられた排気浄化装置内に有する触媒が、劣化していない触媒のライトオフ温度以上の所定の判定温度に達した時に前記触媒に還元剤の添加を行うと共に、前記触媒の上流側排気温度と触媒床温度とを測定して、触媒床温度に対する上流側排気温度の温度差に基づいて該排気浄化装置の劣化状態を判定する、排気浄化装置の劣化判定方法により劣化を判定する。
【０００９】
前記劣化判定方法を行うために、内燃機関の排気通路に設けられて排出される排気を浄化する触媒と、この触媒に流入する排気温度を測定する触媒流入排気温度測定手段と、前記触媒の床温度を測定する触媒床温度測定手段と、劣化していない触媒のライトオフ温度以上の所定の判定温度に触媒床温度が達した時に前記触媒に還元剤を添加する還元剤添加手段と、前記還元剤添加手段により還元剤を触媒に添加した際の触媒流入排気温度に対する触媒床温度の差を検出する差分温度検出手段と、前記差分温度検出手段により検出された温度差が所定の温度差より小さい場合に該触媒が劣化していると判定する劣化判定手段と、を備えた排気浄化装置の劣化判定装置を用いた。
【００１１】
触媒上でＨＣやＣＯとＮＯｘは酸化還元反応を起こしてＨ2ＯやＣＯ2、Ｎ2などに変化し外気に排出される。この触媒が活性化され、触媒上で前記のＨＣやＣＯ、ＮＯｘが酸化還元反応を開始する温度（ライトオフ温度）は触媒が劣化するに従い上昇する。また、同じく劣化した触媒は、ＮＯｘを吸蔵放出する能力も低下するため、触媒上にて単位時間あたりにおいて還元剤と反応するＮＯｘの量も少なくなる。すなわち酸化還元反応量も低下することとなり、この酸化還元反応量の低下により、この酸化還元反応時の反応熱による触媒床温度の上昇量、すなわち触媒床温度と触媒流入排気温度との差も小さくなる。
【００１２】
よって前記の劣化判定方法は、この特性を用いて行うものであり、劣化していない触媒のライトオフ温度以上の温度を所定の判定温度とし、この判定温度にて劣化判定を行う触媒に還元剤添加を行い、この時の昇温反応の程度により、触媒の劣化状態を判定する。前記判定温度は、前記劣化していない触媒のライトオフ温度以上であって且つ該ライトオフ温度近傍の温度であっても良い。また、前記判定温度は、前記劣化していない触媒のライトオフ温度以上であって且つ劣化している触媒のライトオフ温度未満の温度であっても良い。
【００１３】
内燃機関の排気通路中に燃料を添加した際に触媒が酸化還元反応を開始する活性化温度以下であり、昇温反応が起こらないのであれば、触媒を有する排気浄化装置は排気通路の一部となる。この状態では触媒上流の排気温度と触媒床温度は等しい温度になる。よってこの活性化温度以下で燃料添加を行えば添加された燃料は触媒に付着した状態になるか、若しくはそのまま外気に排出されることになる。したがって、判定を行う触媒の床温度が、劣化していない触媒で酸化還元反応を開始する温度以上に上昇した時点で燃料添加を行うことにより触媒の劣化判定を行うことが可能となる。
【００１４】
前記の触媒流入排気温度測定手段と触媒床温度測定手段とについては、その測定方法として、熱電対等によって直接排気温度及び触媒床温度を測定する方法や、特に触媒床温度については触媒下流の排気温度を測定してこの温度を触媒床温度とする測定方法が例示できる。また差分温度検出手段については、前記触媒流入排気温度測定手段と触媒床温度測定手段とで測定した温度に基づいて検出した信号をＥＣＵ（電子制御装置）にて処理し、温度差（Δｔ）が発生する排気温度を検出する方法がある。
【００１５】
前記排気浄化装置は、流入する排気が酸素濃度過剰状態の時に排気中に存在する窒素酸化物をその駆体に吸蔵し、同じく流入する排気が酸素濃度希薄状態の時に駆体に吸蔵した窒素酸化物を放出還元する吸蔵還元機能を有すると共に前記窒素酸化物の吸蔵量を推定する吸蔵量推定手段を有し、前記吸蔵量推定手段により窒素酸化物の吸蔵量が所定量以下と推定されたならば、還元剤添加手段による還元剤の添加が行われないこととした。
【００１６】
前記ＮＯｘ触媒は、周辺雰囲気によりＮＯｘを吸蔵、放出するＮＯｘ吸蔵剤及び放出されたＮＯｘと還元剤とを反応させる貴金属が担体上に担持されて構成されている。よって添加された燃料がＮＯｘ吸蔵剤より放出されたＮＯｘと貴金属上で酸化還元反応を起こす際に発生する反応熱により昇温し、この昇温反応を用いてＮＯｘ触媒の劣化判定を行うものである。前記方法によるＮＯｘ触媒の劣化判定を行うには、劣化判定が行われるのに必要なＮＯｘ量を予めＮＯｘ触媒に吸蔵しておき、劣化判定を行うために還元剤と反応させる時にはこの吸蔵されたＮＯｘを放出する必要がある。よって判定を行うＮＯｘ触媒のＮＯｘ吸蔵量を推定し、この推定されたＮＯｘ吸蔵量が劣化判定を行うに必要な所定量以下であるならば、前記排気浄化装置に有するＮＯｘ触媒に還元剤添加が行われないこと、すなわち劣化判定を実行しないこととした。
【００１７】
前記各判定方法において、その判定に最もＮＯｘ吸蔵量が必要、すなわちＮＯｘと還元剤の酸化還元反応による昇温反応が必要となるのは、Δｔの最大値の相違による触媒劣化の判定方法である。よってこの判定方法に必要なＮＯｘの吸蔵量を前記推定される吸蔵量として用いれば他の判定方法も行うことが可能となる。また、吸蔵量推定手段としては、内燃機関の負荷状態、燃焼室内に添加される燃料添加量、排気温度、ＮＯｘ吸蔵に必要な時間等を把握した状態で、新触媒において同様にΔｔの最大値が出るまでに必要なＮＯｘ吸蔵量を予め算出してＮＯｘ吸蔵量マップとしてＥＣＵに記憶しておく。このマップから劣化判定する触媒に最低限吸蔵されるＮＯｘ吸蔵量を推定し、この値をＮＯｘ吸蔵量として用いる方法等がある。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の劣化判定装置及び方法を、ディーゼルエンジンシステムに適用した実施の形態について説明する。
【００１９】
図１において、内燃機関（以下、エンジンという）１は、燃料供給系１０、燃焼室２０、吸気系３０及び排気系４０等を主要部として構成される直列４気筒のディーゼルエンジンシステムである。以下、本ディーゼルエンジンシステムの構成について説明する。
【００２０】
燃料供給系１０は、サプライポンプ１１、蓄圧室（コモンレール）１２、燃料噴射弁１３、遮断弁１４、燃料添加ノズル１７、機関燃料通路Ｐ１及び添加燃料通路Ｐ２等を備えて構成される。
【００２１】
サプライポンプ１１は燃料タンク（図外）からくみ上げた燃料を高圧にし、機関燃料通路Ｐ１を介してコモンレール１２に供給する。コモンレール１２はサプライポンプ１１から供給された高圧燃料を所定の圧力に保持（蓄圧）する機能を有し、この蓄圧した燃料を各燃料噴射弁１３に分配する。燃料噴射弁１３はその内部に電磁ソレノイド（図外）を備えた電磁弁であり、適宜開弁して燃焼室２０内に燃料を供給噴射する。
【００２２】
他方、サプライポンプ１１は、燃料タンクからくみ上げた燃料の一部を添加燃料通路Ｐ２を介して燃料添加ノズル１７に供給する。添加燃料通路Ｐ２にはサプライポンプ１１から燃料添加ノズル１７に向かって遮断弁１４が配設されている。遮断弁１４は緊急時において、添加燃料通路Ｐ２を遮断し、燃料供給を中止する。燃料添加ノズル１７は燃料噴射弁１３と同様な電磁弁であり、排気系４０内に還元剤である燃料を噴射添加する。
【００２３】
吸気系３０は、各燃焼室２０内に供給される吸気空気の通路（吸気通路）を形成する。一方、排気系４０は、各燃焼室２０から排出される排気ガスの通路（排気通路）を形成する。
【００２４】
また、このエンジン１には、周知の過給器（ターボチャージャ）５０が備えられている。ターボチャージャ５０は、シャフト５１を介して連結されたタービンホイール５２とコンプレッサ５３とを備える。一方のコンプレッサ５３は吸気系３０内の吸気に晒され、他方のタービンホイール５２は排気系４０内の排気ガスに晒されている。このような構成を有するターボチャージャ５０は、タービンホイール５２が受ける排気流（排気圧）を利用してコンプレッサ５３を回転させ、吸気圧を高める効果（過給効果）を有する。
【００２５】
吸気系３０において、ターボチャージャ５０に設けられたインタークーラ３１は、過給によって昇温した吸入空気を強制冷却する。インタークーラ３１よりも更に下流に設けられたスロットル弁３２は、その開度を無段階に調節することができる電子制御式の開閉弁であり、所定の条件下において吸気通路の流路面積を絞り、同吸入空気の供給量を調整（低減）する機能を有する。
【００２６】
また、エンジン１には、燃焼室２０の上流（吸気系３０）及び下流（排気系４０）をバイパスする排気環流通路（ＥＧＲ通路）６０が形成されている。具体的には、ＥＧＲ通路６０は排気系４０におけるターボチャージャ５０上流の排気集合管４０ａと吸気系３０におけるスロットル弁３２の下流側を連通している。このＥＧＲ通路６０は、排気ガスの一部を適宜吸気系３０に戻す機能を有する。ＥＧＲ通路６０には、電子制御によって無段階に開閉され、同通路を流れる排気流量を自在に調節することが可能なＥＧＲ弁６１と、ＥＧＲ通路６０を通過（環流）する排気ガスを冷却するためのＥＧＲクーラ６２が設けられている。
【００２７】
また、排気系４０において、燃焼室より接続する排気集合管４０ａ、タービンホイール５２が設けられた部位より下流側には、排気ガスの流路に沿って排気通路４０ｂ、その下流にＮＯｘ触媒ケーシング４２、更に下流に排気通路４０ｃが順次連結されている。ＮＯｘ触媒ケーシング４２には、後述するように排気ガス中に含まれるＮＯｘ等の有害成分を浄化する吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４２ｂが収容されている。
【００２８】
また、エンジン１の各部位には、各種センサが取り付けられており、当該部位の環境条件やエンジン１の運転状態に関する信号を出力する。
【００２９】
すなわち、レール圧センサ７０は、コモンレール１２内に蓄えられている燃料の圧力に応じた検出信号を出力する。燃圧センサ７１は、添加燃料通路Ｐ２内を流通する燃料のうち、燃料添加ノズル１７へ導入される燃料の圧力（燃圧）に応じた検出信号を出力する。エアフローメータ７２は、吸気系３０内のスロットル弁３２上流において吸入空気の流量（吸気量）に応じた検出信号を出力する。空燃比（Ａ／Ｆ）センサ７３は、排気系４０の触媒ケーシング４２上流において排気ガス中の酸素濃度に応じて連続的に変化する検出信号を出力する。触媒流出排気温度センサ７４は、同じく排気系４０の触媒ケーシング４２下流において排気ガスの温度（排気温度）に応じた検出信号を出力する。触媒流入排気温度センサ７８は触媒ケーシング４２入口において流入する排気ガスの温度に応じた検出信号を出力する。
【００３０】
また、アクセル開度センサ７６はアクセルペダル（図外）に取り付けられ、同ペダルの踏込量に応じてエンジン１において要求する仕事量の基となる検出信号を出力する。クランク角センサ７７は、エンジン１の出力軸（クランクシャフト）が一定角度回転する毎に検出信号（パルス）を出力する。これら各センサ７０〜７９は、電子制御装置（ＥＣＵ）８０と電気的に接続されている。
【００３１】
図２に示すように、ＥＣＵ８０は中央演算処理装置（ＣＰＵ）８１、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）８２、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）８３及び運転停止後も記憶した情報が消去されないバックアップＲＡＭ８４、タイマカウンタ８５等と、Ａ／Ｄ変換器を含む入力ポート８６と、出力ポート８７とが、双方向性バス８８により接続されて構成される論理演算回路を備える。
【００３２】
ＥＣＵ８０は、前記各種センサの検出信号を入力ポート８６を介して入力し、これら信号に基づいてＥＣＵ８０に有するＣＰＵ８１において、ＲＯＭ８２に記憶されているプログラムから、エンジン１の燃料噴射等についての基本制御を行う他、還元剤（還元剤として機能する燃料）添加に係る燃料噴射の供給量の決定や添加時期等に関する還元剤（燃料）添加制御等、エンジン１の運転状態に関係する各種制御を行う。
【００３３】
尚、燃料噴射弁１３を通じて各気筒に燃料を供給する燃料供給系１０、排気系４０に備えられたＮＯｘ触媒、及びこれら燃料供給系１０やＮＯｘ触媒の機能を制御するＥＣＵ８０等は、併せて本実施の形態に係るエンジン１の排気浄化装置を構成する。前記燃料添加制御等は、当該制御に関する指令信号を出力するＥＣＵ８０を含め、この排気浄化装置を構成する各種部材の作動を通じて実施される。
【００３４】
次に、以上説明したエンジン１の構成要素のうち、排気系４０に設けられた触媒ケーシング４２について、その構成及び機能を詳しく説明する。
【００３５】
図３は、図１に示した触媒ケーシング４２を、その内部構造の一部と共に拡大して示す断面図である。触媒ケーシング４２は、その内部に吸蔵還元型ＮＯｘ触媒４２ｂを収容する。
【００３６】
ＮＯｘ触媒４２ｂは、例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を主材料とした担体とし、この担体の表面にＮＯｘ吸蔵剤として機能する、例えばカリウム（Ｋ）、ナトリウム（Ｎａ）、リチウム（Ｌｉ）、セシウム（Ｃｓ）のようなアルカリ金属、バリウム（Ｂａ）、カルシウム（Ｃａ）、のようなアルカリ土類金属、あるいはイットリウム（Ｙ）のような希土類と、酸化触媒（貴金属触媒）として機能する、例えば白金（Ｐｔ）のような貴金属とが担持されることによって構成される。
【００３７】
ＮＯｘ吸蔵剤は、排気ガス中の酸素濃度が高い状態ではＮＯｘを保持し、排気ガス中の酸素濃度が低い状態ではＮＯｘを放出する特性を有する。また、排気ガス中にＮＯｘが放出された時、排気ガス中にＨＣやＣＯ等が存在していれば、貴金属触媒がこれらＨＣやＣＯの酸化反応を促すことで、ＮＯｘを酸化成分、ＨＣやＣＯを還元成分とする酸化還元反応が両者間で起こる。すなわち、ＨＣやＣＯはＣＯ2やＨ2Ｏに酸化され、ＮＯｘはＮ2に還元される。
【００３８】
また、ＮＯｘ触媒４２ｂを構成している貴金属触媒はＨＣの酸化を促して、ＨＣの酸化反応熱により床温を昇温する。
【００３９】
また、ＮＯｘ吸蔵剤は排気ガス中の酸素濃度が高い状態である時にでも所定の限界量のＮＯｘを保持すると、それ以上ＮＯｘを保持しなくなる。エンジン１では、触媒ケーシング４２内に収容されたＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持量が限界に達する前に、排気通路の触媒ケーシング４２上流に還元剤を添加供給することで、ＮＯｘ触媒４２ｂを活性化して保持されたＮＯｘを還元浄化し、ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持能力を回復させるといった制御を所定のインターバルで繰り返す。
【００４０】
以下ＮＯｘ浄化について具体的に述べる。
【００４１】
一般に、ディーゼルエンジンでは、燃焼室内で燃焼に供される燃料及び空気の混合気の酸素濃度が、殆どの運転領域で高濃度状態にある。燃焼に供される混合気の酸素濃度は、燃焼に供された酸素を差し引いてそのまま排気ガス中の酸素濃度に反映されるのが通常であり、混合気中の酸素濃度（空燃比）が高ければ、排気ガス中の酸素濃度（空燃比）も基本的には同様に高くなる。
【００４２】
一方、前述したように、ＮＯｘ触媒４２ｂは排気ガス中の酸素濃度が高ければＮＯｘを保持し、低ければＮＯｘをＮＯ2若しくはＮＯに還元する特性を有するため、排気ガス中の酸素が高濃度にある限りＮＯｘを保持し続ける。但し、当該ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持量には限界が存在し、同ＮＯｘ触媒４２ｂが限界量のＮＯｘを保持した状態では、排気ガス中のＮＯｘは同ＮＯｘ触媒４２ｂに保持されず触媒ケーシング４２を素通りする。
【００４３】
ＮＯｘ触媒４２ｂのＮＯｘ保持作用を復帰させるため、還元剤をＮＯｘ触媒４２ｂ中のＮＯｘ吸蔵剤に添加する必要があるが、エンジンの構成上、通常の燃料噴射を行った場合に、酸素濃度が低い、すなわち還元剤である燃料を多量に含んだ排気ガスは排出され難い。
【００４４】
よって、内燃機関の燃焼室にて行われる動力転化用の主燃料噴射とは別に主に未燃焼燃料として燃料を噴射する副次的燃料噴射を行う方法や、排気通路に設けられ、排気ガス中に燃料を噴射する方法などにより燃料を排気ガス中に添加して排気ガス中の還元剤成分を増量させ、この還元成分によりＮＯｘ保持作用を復帰、再生させる（ＮＯｘ触媒再生制御）。
【００４５】
このＮＯｘ触媒再生制御を行う場合は、再生を行うＮＯｘ触媒４２ｂの床温度（排気温度）、ＮＯｘ吸蔵量等により、還元剤である燃料の添加量や添加時期等が異なるものである。また、この添加量や添加時期を決定するにあたっては、車両搭載時のＮＯｘ触媒４２ｂの浄化能力に基づいた値が設定されている。しかし長期間ＮＯｘ触媒４２ｂを使用すると、その経年劣化等により、該ＮＯｘ触媒４２ｂの排気浄化能力が変化してくる。よってＮＯｘ触媒４２ｂの劣化程度を判定し、その劣化程度に即したＮＯｘ触媒再生制御の各制御値の変更等が必要となる。
【００４６】
以下、ＮＯｘ触媒４２ｂについての触媒劣化判定について述べる。触媒の排気浄化性能が衰えて発生する問題としては、図４に示すように、酸化還元能力の低下により、排気中に添加された還元剤とＮＯｘ触媒４２ｂより排出するＮＯｘとの酸化還元反応を開始する温度（ライトオフ温度）の上昇や、ＮＯｘ触媒４２ｂに吸蔵するＮＯｘ量の低下及びＮＯｘの放出量等のＮＯｘ吸蔵反応性能の低下等が例示できる。これにより新しい状態の触媒（新触媒）のライトオフ温度等を所定の温度として劣化した触媒でＮＯｘ浄化制御を行うと、そのライトオフ温度の違いから十分なＮＯｘ浄化が行えない。つまりは、新触媒のライトオフ温度近傍温度で劣化した触媒に燃料添加を行うと、酸化還元反応が進行しないため該触媒に燃料が付着するか、若しくはそのまま未燃焼ガスとして大気中に放出される。
【００４７】
また、酸化還元反応が行われている場合においても、劣化した触媒ではその酸化還元反応による昇温の最高到達温度が低くなると共にその反応速度も遅くなる。前記事項に基づいて新触媒を基にした触媒再生制御を行うと、劣化した触媒でその触媒床温度が酸化還元反応にて生じる温度の最高点に達したとしても、新触媒を基にした触媒再生制御では、触媒で反応を行う燃料が不十分なため温度上昇が進まないと判断される。この判断により、ＮＯｘを浄化するに必要な燃料量よりも多量の燃料を触媒に添加してしまう可能性もある。よって、この場合には触媒再生後に、燃料がそのまま触媒に付着したままになるか、若しくはその付着した燃料が未燃焼ガスとして大気中に放出される。
【００４８】
前記ライトオフ温度を測定する手段としては、触媒流入排気温度センサ７８と触媒流出排気温度センサ７４とを用いて測定する。排気中に還元剤が含まれていないか、若しくは還元剤が含まれていてもＮＯｘ触媒４２ｂが活性化温度以下であるならば、ＮＯｘ触媒４２ｂにて燃料及びＮＯｘによる酸化還元反応は行われない。よって、この状態ではＮＯｘ触媒４２ｂの流入側排気温度：Ｔｉｎと排出側排気温度：Ｔｅｘはほぼ同等な温度を示す。
【００４９】
しかし、ＮＯｘ触媒４２ｂで排気中に添加された燃料によりＮＯｘが浄化されると、この浄化に伴う酸化還元反応によりＴｅｘは上昇してＴｉｎ＜Ｔｅｘとなり、ここにＴｉｎとＴｅｘの間に温度差：Δｔが発生する。よってこのΔｔが発生した時点でのＴｉｎの温度がライトオフ温度となる。
【００５０】
次にライトオフ温度に到達した後、ＴｉｎとTｅｘとの温度差Δｔに着目する。劣化した触媒では酸化還元反応に必要なＮＯｘの吸蔵放出能力の低下、特に放出能力の低下により、触媒雰囲気がリッチになった状態でも新触媒に比較して排気中に放出するＮＯｘの単位時間あたりの放出量が減少する。排気中には放出されたＮＯｘと酸化還元反応を行って触媒床温度を上昇させるに十分な燃料が存在するため、酸化還元反応の単位時間あたりの反応量はＮＯｘの排出量により決定される。
【００５１】
よって、この単位時間あたりの酸化還元反応量の違いにより、酸化還元時の触媒床温度上昇値に差が発生する。すなわち、図５に示すように、酸化還元反応量の少ない劣化した触媒では、ＴｉｎとＴｅｘの間のΔｔ（Ｔｅｘ−Ｔｉｎ）は余り大きくならないが、酸化還元反応量の多い新触媒ではΔｔが大きくなる。
【００５２】
更に、劣化した触媒では、その酸化還元能力も低下するため、酸化還元反応を行うＮＯｘの放出量の低下と前記酸化還元能力の低下との相乗的な作用により、劣化した触媒は、劣化していない触媒と比較して、その酸化還元反応による触媒床温度の最高値は低くなる結果となる。
【００５３】
前記の事項をふまえてこの劣化した触媒と劣化していない触媒でのライトオフ温度時での温度差の違いを基にして触媒の劣化判定を行う。判定方法としては、先に劣化の判定基準となるライトオフ判定温度を定めておき、このライトオフ判定温度に判定を行う触媒が到達した時に燃料添加を行い、この時の昇温反応の有無及び程度により該触媒の劣化判定を行う。
【００５４】
より具体的には、予め、劣化判定の基準となるライトオフ判定温度を定めておくと共に、このライトオフ判定温度が該ライトオフ温度となる触媒での燃料添加時の温度上昇値を測定してこれを所定の温度上昇値と定め、ＥＣＵ８０内のＲＯＭ８２に記憶しておく。これに対して劣化判定を行うＮＯｘ触媒４２ｂに排気を流入させると共にこのＮＯｘ触媒４２ｂ前後でＴｉｎ、Ｔｅｘをそれぞれ触媒流入排気温度センサ７８と触媒流出排気温度センサ７４とで測定する。そしてＴｉｎ、Ｔｅｘがライトオフ判定温度になったことをＣＰＵ８１で認識した時点で燃料添加ノズル１７へ信号を送り排気中に所定の燃料量を添加する。
【００５５】
この燃料添加を行うにあたり、予め該ＮＯｘ触媒４２ｂにＮＯｘが所定量吸蔵されていることを確認する。この所定量としては、ＮＯｘ触媒４２ｂが燃料添加による酸化還元反応により昇温し、この昇温によって触媒床温度が最高値を示すまでの酸化還元反応に必要なＮＯｘ吸蔵量とする。よって、前記の所定の燃料添加量もこのＮＯｘ吸蔵量と酸化還元反応を行う際に必要な量となる。
【００５６】
前記ＮＯｘ吸蔵量を確認する手段としては、エンジン１での燃料噴射量、アクセル開度センサ７６，空燃比センサ７３などの情報からエンジン１より排出されるＮＯｘ量を算出するマップを予めＲＯＭ８２に記憶しておく。このマップと前回燃料添加を行った時間から今回燃料添加を行う時間により、ＮＯｘ触媒４２ｂにどれだけの量のＮＯｘが流入したかを算出する。そしてこの値が所定のＮＯｘ吸蔵量になった時に前記ＮＯｘ触媒４２ｂに所定のＮＯｘ量が吸蔵されたと推定する。
【００５７】
前記燃料添加を行った後に触媒流入排気温度センサ７８と触媒流出排気温度センサ７４より検出される温度であるＴｉｎとＴｅｘの間に温度差Δｔがないのであれば、ＮＯｘ触媒４２ｂが劣化しているとＣＰＵ８１で判定される。また、前記Δｔが所定の値以上あるのであれば、ＮＯｘ触媒４２ｂは劣化していないと判定される。
【００５８】
以上の方法によりライトオフ判定温度にて還元剤添加を行い触媒の劣化を判定する。前記判定方法で、ライトオフ判定温度にて燃料添加を行った際に、昇温反応は見られるがΔｔが所定値より下の場合には、ＮＯｘ吸蔵量若しくは還元剤添加量不足等で十分な昇温反応が行われなかった疑いがあるので、この場合には判定を行わずに終了するか、又は再度前記判定方法を行い劣化判定を行う。
【００５９】
以下、本実施の形態に係るエンジン１のＥＣＵ８０が実施する「劣化触媒判定制御」に関し、具体的な処理手順について図６に示すフローチャートを参照して説明する。
【００６０】
先ず、Ｓ６０１〜Ｓ６０３にて触媒床温度がライトオフ判定温度になるようにする。Ｓ６０１にて触媒床温度がライトオフ判定温度より高いならば、低くなるまでこのステップを繰り返し、ライトオフ判定温度以下になった時点で次のステップに進む。Ｓ６０２では、触媒床温度がライトオフ判定温度以下であるか否かが判定される。Ｓ６０１で否定判定された場合は、触媒床温度がライトオフ判定温度以下であるため、Ｓ６０２で肯定判定されることで、Ｓ６０３へ進む。
【００６１】
Ｓ６０３では、触媒床温度＝ライトオフ判定温度であるか否かが判定され、触媒床温度＝ライトオフ判定温度である場合は、Ｓ６０４に進んで所定量の燃料添加を行う。このＳ６０３において触媒床温度＝ライトオフ判定温度が確認されなかった場合には、Ｓ６０２に戻り、触媒床温度＝ライトオフ判定温度となるまでＳ６０２およびＳ６０３の判定を繰り返す。Ｓ６０２およびＳ６０３の判定を繰り返す間に、触媒床温度がライトオフ判定温度よりも高い温度まで昇温された場合は、Ｓ６０２において否定判定されてＳ６０１へ戻る。これらＳ６０１〜Ｓ６０３の処理によって、触媒床温度がライトオフ判定温度に一致した後、Ｓ６０４に進んで所定量の燃料添加が行われる。
【００６２】
Ｓ６０４で燃料添加をした後、Ｓ６０５にて触媒流入排気温度センサ７８より検出される流入排気温度と触媒流出排気温度センサ７４より検出される流出排気温度の温度差（流出排気温度−流入排気温度）が所定温度未満かどうか判断する。判断結果が所定値以上であるならばＳ６０９に進み触媒は劣化していないと判断して本チャートを終了する。判定結果が所定値より下であるならば次のステップへ進む。
【００６３】
Ｓ６０６では、前記の温度差について判断する。前記温度差が０℃以下ならばＳ６０８へ進み、該触媒は劣化してると判定され、その後本チャートを終了する。また前記温度差が０℃より上であるならば、Ｓ６０７へ進み、酸化還元反応不足のため明確な判定をせずに終了するか、若しくはＳ６０１に戻り、再度同じ判定を行う。
【００６４】
本実施の形態では、判定を行う際に、ライトオフ判定温度で燃料添加を行い、このときの昇温反応の有無と昇温反応量とを同時に判定したものであるが、これを個別に行っても良い。つまり、最初に触媒が昇温反応を始める温度を検出し、この検出した温度でのΔｔを求め、この値をそれぞれライトオフ判定温度と比較して劣化判定を行っても良い。このとき前記触媒が昇温反応を始める温度の検出方法としては、ライトオフ温度を検出する触媒にて、温度が低い状態、例えば新触媒のライトオフ温度の時点で燃料添加を行い、触媒床に燃料を付着させる。こののち触媒床温度を昇温させ、付着した燃料によりＴｉｎとＴｅｘに差が出る温度であるライトオフ温度を検出する方法等がある。そしてライトオフ温度を検出した後Δｔｍａｘも同様に検出する。この判定方法であれば劣化の有無の他に、ライトオフ温度の上昇程度により、劣化判定を行う触媒の劣化程度も判断することが可能となる。
【００６５】
また、還元剤の添加手段として本実施の形態では排気通路中に燃料噴射装置である燃料添加ノズル１７を設けてこれにより燃料を排気中に添加したが、添加手段としてはこれに限るものでは無い。例えば燃焼室内に燃料を添加する際に、燃焼工程以外で燃料添加し、未燃焼のまま排気してこの未燃焼燃料を還元剤として用いても良い。要は排気浄化装置に還元剤を添加できれば特に手段にこだわるものでは無い。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る触媒の劣化判定装置及び方法を用いることにより、ＮＯｘセンサを用いずに触媒のＮＯｘ浄化能力の劣化を判定することが可能となる。
【００６７】
また本発明では、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒を主眼としてその構成及び方法を述べたものであるが、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒に限らず、ＮＯｘを浄化する際に昇温する触媒、例えばガソリンエンジンの排気浄化等に用いられる三元触媒等でも同様な構成でＮＯｘセンサを用いずにＮＯｘ浄化能力を測定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明実施の形態に係るディーゼルエンジンシステムを示す概略構成図。
【図２】同実施の形態に係る、ＥＣＵ周りの構成概念図。
【図３】同実施の形態に係る、触媒ケーシングの断面概念図。
【図４】同実施の形態に係る、ライトオフ温度と触媒床温度の関係を示すグラフ。
【図５】同実施の形態に係る、Δｔと触媒の劣化の関係を示すグラフ。
【図６】同実施の形態に係る、触媒劣化判定制御を示すフローチャート。
【符号の説明】
１  エンジン（内燃機関）
１０  燃料供給系
１１  サプライポンプ
１２  コモンレール（蓄圧室）
１３  燃料噴射弁
１４  制御弁
１７  燃料添加ノズル
２０  燃焼室
３０  吸気系
３１  インタークーラ
３２  スロットル弁
４０  排気系
４０ａ  排気集合管
４０ｂ、ｃ  排気通路
４２  触媒ケーシング
４２ｂ  吸蔵還元型ＮＯｘ触媒（ＮＯｘ触媒）
４３  噴射燃料溜まり
５０  ターボチャージャ
５１  シャフト
５２  タービンホイール
５３  コンプレッサ
６０  ＥＧＲ通路
６１  ＥＧＲ弁
６２  ＥＧＲクーラ
７０  レール圧センサ
７１  燃焼センサ
７２  エアフローメータ
７３  空燃比（Ａ／Ｆ）センサ
７４  触媒排出排気温度センサ
７６  アクセル開度センサ
７７  クランク角センサ
７８  触媒流入排気温度センサ
８０  電子制御装置（ＥＣＵ）
８１  中央演算処理装置（ＣＰＵ）
８２  読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）
８３  ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）
８４  バックアップＲＡＭ
８５  タイマカウンタ
８６  入力ポート
８７  出力ポート
８８  双方向バス
Ｐ１  機関燃料通路
Ｐ２  添加燃料通路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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