JP2005113708A - エンジンの排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】エンジン又はＳＣＲ装置に異常が発生したときに、大気中へのＮＯｘの放出を抑制する。
【解決手段】エンジンＣ／Ｕ５１は、エンジンに異常が発生したことを検出し、異常の発生を示す信号をＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に出力する。ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、発生した異常に応じ、尿素水噴射量を増減させる。一方、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、ＳＣＲ装置に異常が発生したことを検出し、異常の発生を示す信号をエンジンＣ／Ｕ５１に出力する。エンジンＣ／Ｕ５１は、ＥＧＲ弁等のエンジン部品を制御し、ＮＯｘ排出量を低減させる。ＳＣＲ装置に異常が発生したときは、尿素水の噴射を停止させる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、エンジンの排気浄化装置に関し、詳細には、自動車用エンジンから排出される窒素酸化物を、アンモニアを還元剤に使用して浄化する技術に関する。
エンジンから排出される大気汚染物質、特に排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）を後処理により浄化するものに、次のＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）装置が知られている。エンジンの排気通路にアンモニア又はその前駆体の水溶液を噴射する装置を設置し、噴射されたアンモニアを還元剤として、排気中の窒素酸化物（以下「ＮＯｘ」という。）と、このアンモニアとを触媒上で反応させ、ＮＯｘを還元し、浄化するものである。また、車上でのアンモニアの貯蔵容易性を考慮し、タンクにアンモニア前駆体としての尿素水を貯蔵しておき、実際の運転に際し、このタンクから供給された尿素水を排気通路内に噴射し、排気熱を利用した尿素の加水分解によりアンモニアを発生させるＳＣＲ装置も知られている（特許文献１）。回転数及び負荷等のエンジンの運転状態を検出し、排気に対し、検出した運転状態に応じた量の尿素水を噴射するのが一般的である（特許文献２）。
特開２０００−０２７６２７号公報（段落番号００１３） 特開２００１−０２０７２４号公報（段落番号０００４）
しかしながら、上記のＳＣＲ装置には、次のような問題がある。エンジンに関する設定として、燃料噴射弁等のエンジン部品の作動特性を、パティキュレート排出量が少なくなるように設定する場合がある。このような設定では、一般的にＮＯｘ排出量が多くなるが、ＳＣＲ装置が正常に作動しているのであれば、排出されたＮＯｘをアンモニアとの還元反応により浄化することができる。このようなある程度のＮＯｘの排出を許容する設定のもと、エンジン部品に異常が発生し、排気の組成が変化した場合を想定する。この場合において、ＮＯｘ排出量が増加したにも拘わらず、尿素水噴射量を正常時のまま維持したとすれば、ＮＯｘに対してアンモニアが不足し、未浄化のＮＯｘが大気中に放出されることとなる。他方、ＮＯｘ排出量が減少したにも拘わらず、尿素水噴射量を正常時のまま維持したとすれば、尿素水が無駄に消費されるばかりでなく、アンモニアが過剰に発生し、余剰のアンモニアが大気中に放出されることとなる。また、ＳＣＲ装置に異常が発生して、尿素水噴射量が変化し、あるいは尿素水のアンモニア含有量（尿素の濃度）が変化したとする。この場合は、排気へのアンモニア添加量が変化することとなるので、ＮＯｘとアンモニアとの比率が適正値からずれ、還元反応が良好に進行せず、ＮＯｘ除去率が要求を満たさなくなる。また、アンモニアが過剰に添加されたときは、余剰のアンモニアが大気中に放出される。
本発明は、エンジン部品又はＳＣＲ装置に異常が発生したときに、大気中へのＮＯｘ又はアンモニアの放出を抑制することを目的とする。
本発明は、エンジンの排気浄化装置を提供する。本発明に係る装置は、排気にＮＯｘの還元剤を添加する添加装置を備え、添加された還元剤により排気中のＮＯｘの還元を促すものである。本発明に係る装置は、自動車用エンジンの排気浄化装置として好適に採用することができ、ＮＯｘの還元剤には、アンモニアを使用することができる。
第１の形態では、添加装置に発生する異常を第１の異常として、この第１の異常が発生したことを検出する。エンジンから排出される時点での排気の組成に影響を与えるエンジン制御手段（以下、単に「エンジン制御手段」という。）と協働して、第１の異常の発生が検出されたときと、それ以外のときとで、同じ運転条件に対するエンジンのＮＯｘ排出量を異ならせる。好ましくは、添加装置による還元剤の添加を停止するとともに、ＮＯｘ排出量を減少させる。
第２の形態では、エンジン制御手段に発生する異常を第２の異常として、この第２の異常が発生したことを検出する。第２の異常の発生が検出されたときと、それ以外のときとで、添加装置の還元剤添加量を異ならせる。好ましくは、第２の異常によるＮＯｘ排出量の変化に応じ、還元剤添加量を調節する。
第３の形態では、第１の異常が発生したことを検出するとともに、第２の異常が発生したことを検出する。第１及び第２の異常のうち、少なくとも一方の異常の発生が検出されたとき以外のときを通常時として、第１の異常の発生が検出された第１の異常発生時において、エンジン制御手段と協働して、同じ運転条件に対するエンジンのＮＯｘ排出量を通常時とは異ならせる。また、第２の異常の発生が検出された第２の異常発生時において、添加装置の還元剤添加量を通常時とは異ならせる。
本発明によれば、エンジン制御手段に異常が発生し、エンジンのＮＯｘ排出量が変化したときに、添加装置の還元剤添加量を制御し、実際のＮＯｘ排出量に見合ったものとすることで、還元剤の不足によるＮＯｘの放出や、過剰供給による還元剤の放出を防止することができる。また、添加装置に異常が発生し、的確な量の還元剤を添加し得なくなったときに、エンジン制御手段と協働し、ＮＯｘの発生自体を抑制することで、ＮＯｘの放出を抑制することができる。
以下に図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る自動車用エンジン（以下「エンジン」という。）の構成を示している。本実施形態では、エンジン１として直噴型のディーゼルエンジンを採用している。
吸気通路１１の導入部には、図示しないエアクリーナが取り付けられており、エアクリーナにより吸入空気中の粉塵が除去される。吸気通路１１には、可変ノズル型のターボチャージャ１２（「過給装置」を構成する。）のコンプレッサ１２ａが設置されており、コンプレッサ１２ａにより吸入空気が圧縮されて送り出される。圧縮された吸入空気は、サージタンク１３に流入し、マニホールド部で各気筒に分配される。
エンジン本体において、シリンダヘッドには、インジェクタ２１が気筒毎に設置されている。インジェクタ２１は、エンジンコントロールユニット（以下「エンジンＣ／Ｕ」という。）５１からの信号に応じて作動する。図示しない燃料ポンプにより送り出された燃料は、コモンレール２２を介してインジェクタ２１に供給され、インジェクタ２１により燃焼室内に噴射される。
排気通路３１には、マニホールド部の下流にターボチャージャ１２のタービン１２ｂが設置されている。排気によりタービン１２ｂが駆動されることで、コンプレッサ１２ａが回転する。タービン１２ｂは、ＶＮＴコントロールユニット１２２により可動ベーン１２１の角度が制御される。可動ベーン１２１の角度に応じ、タービン１２ｂ及びコンプレッサ１２ａの回転数が変化する。
タービン１２ｂの下流には、上流側から順に酸化触媒３２、ＮＯｘ浄化触媒３３及びアンモニア浄化触媒３４が設置されている。酸化触媒３２は、排気中の炭化水素及び一酸化炭素を酸化するとともに、排気中の一酸化窒素（以下「ＮＯ」という。）を、二酸化窒素（以下「ＮＯ２」という。）を主とするＮＯｘに転換するものであり、排気に含まれるＮＯとＮＯ２との比率を、後述するＮＯｘの還元反応に最適なものに調整する作用を奏する。ＮＯｘ浄化触媒３３は、排気中のＮＯｘを還元し、浄化する。ＮＯｘ浄化触媒３３でのＮＯｘの還元を促すため、本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流で排気に還元剤としてのアンモニアを添加する。
本実施形態では、アンモニアの貯蔵容易性を考慮し、アンモニア前駆体としての尿素を水溶液の状態で貯蔵する。アンモニアを尿素として貯蔵することで、安全性を確保することができる。
尿素水を貯蔵するタンク４１には、尿素水供給管４２が接続されており、この尿素水供給管４２の先端に尿素水の噴射ノズル４３が取り付けられている。尿素水供給管４２には、上流側から順にフィードポンプ４４及びフィルタ４５が介装されている。フィードポンプ４４は、電動モータ４４１により駆動される。電動モータ４４１は、ＳＣＲコントロールユニット（以下「ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ」という。）６１からの信号により回転数が制御され、フィードポンプ４４の吐出し量を調整する。また、フィルタ４５の下流において、尿素水供給管４２に尿素水戻り管４６が接続されている。尿素水戻り管４６には、圧力制御弁４７が設置されており、規定圧力を超える分の余剰尿素水がタンク４１に戻されるように構成されている。
噴射ノズル４３は、エアアシスト式の噴射ノズルであり、本体４３１と、ノズル部４３２とで構成される。本体４３１には、尿素水供給管４２が接続される一方、アシスト用の空気（以下「アシストエア」という。）を供給するための空気供給管４８が接続されている。空気供給管４８は、図示しないエアタンクと接続されており、このエアタンクからアシストエアが供給される。ノズル部４３２は、ＮＯｘ浄化触媒３３の上流において、ＮＯｘ浄化触媒３３及びアンモニア浄化触媒３４の筐体を貫通させて設置されている。ノズル部４３２の噴射方向は、排気の流れと平行な方向に、ＮＯｘ浄化触媒３３の端面に向けて設定されている。
尿層水が噴射されると、噴射された尿素水中の尿素が排気熱により加水分解し、アンモニアが発生する。発生したアンモニアは、ＮＯｘ浄化触媒３３上でＮＯｘの還元剤として作用し、ＮＯｘの還元を促進させる。アンモニア浄化触媒３４は、ＮＯｘの還元に寄与せずにＮＯｘ浄化触媒３３を通過したスリップアンモニアを浄化するためのものである。アンモニアは、刺激臭があるため、未浄化のまま放出するのは好ましくない。酸化触媒３２でのＮＯの酸化反応、尿素の加水分解反応、ＮＯｘ浄化触媒３３でのＮＯｘの還元反応、及びアンモニア浄化触媒３４でのスリップアンモニアの酸化反応は、次の（１）〜（４）式により表される。なお、本実施形態では、ＮＯｘ浄化触媒３３と、アンモニア浄化触媒３４とを一体の筐体に内蔵させているが、それぞれの筐体を別体のものとして構成してもよい。
ＮＯ＋１／２Ｏ2 → ＮＯ2 ・・・（１）
(ＮＨ2)2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ → ２ＮＨ3＋ＣＯ2 ・・・（２）
ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3 → ２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ ・・・（３）
４ＮＨ3＋３Ｏ2 → ２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ ・・・（４）
また、排気通路３１は、ＥＧＲ管３５により吸気通路１１と接続されている。このＥＧＲ管３５を介して排気が吸気通路１１に還流される。ＥＧＲ管３５には、ＥＧＲ弁３６が介装されており、このＥＧＲ弁３６により還流される排気の流量が制御される。ＥＧＲ弁３６は、ＥＧＲコントロールユニット３６１により開度が制御される。ＥＧＲ管３５と、ＥＧＲ弁３６とで排気還流装置が構成される。
排気通路３１において、酸化触媒３２とＮＯｘ浄化触媒３３との間には、尿素水添加前の排気の温度を検出するための温度センサ７１が設置されている。アンモニア浄化触媒３４の下流には、還元後の排気の温度を検出するための温度センサ７２、及び還元後の排気に含まれるＮＯｘの濃度を検出するためのＮＯｘセンサ７３が設置されている。また、タンク４１内には、貯蔵されている尿素水に含まれる尿素の濃度（以下、単に「濃度」というときは、尿素の濃度をいうものとする。）Ｄｕを検出するための尿素センサ７４と、貯蔵されている尿素水の量Ｒｕを検出するための残量センサ７５とが設置されている。
尿素センサ（「第１のセンサ」に相当する。）７４には、公知のいかなる形態のものが採用されてもよい。本実施形態では、尿素の濃度に応じた尿素水の熱伝達率をもとに、濃度Ｄｕを検出するものが採用されている。また、残量センサ（「第２のセンサ」に相当する。）７５は、フロートと、このフロートの位置（すなわち、高さ）を検出する可変抵抗体とを含んで構成され、検出されたフロートの高さをもとに、尿素水の残量Ｒｕを検出する。なお、尿素水の熱伝達率に基づいて濃度Ｄｕを検出する感温型尿素センサ７４によれば、尿素水と空気との間で熱伝達率に大きな違いがあることから、尿素センサ７４が空気中にあるときの尿素センサ７４の出力特性を予め把握しておくことで、残量Ｒｕに代え、タンク４１が空であるか否かを判定することができ、第１及び第２のセンサを１つの尿素センサ７４で兼ねることができる。
図２は、エンジン１の制御系の構成を示している。
エンジンＣ／Ｕ５１と、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１とは、双方向に通信可能に接続されている。
エンジンＣ／Ｕ５１は、ＥＧＲコントロールユニット３６１及びＶＮＴコントロールユニット１２２とも双方向に通信可能に接続されている。ＥＧＲコントロールユニット３６１は、ＥＧＲ系に異常が発生したことを検出する機能を有しており、異常の発生を示す信号をエンジンＣ／Ｕ５１に出力する。ＶＮＴコントロールユニット１２２は、ＶＮＴ系に異常が発生したことを検出する機能を有しており、異常の発生を示す信号をエンジンＣ／Ｕ５１に出力する。エンジンＣ／Ｕ５１は、ＥＧＲコントロールユニット３６１及びＶＮＴコントロールユニット１２２に対し、エンジン１の運転状態に応じた指令信号を出力する一方、これらのコントロールユニット３６１，１２２から異常の発生を示す信号を入力したときは、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に対し、エンジン１に異常が発生したことを示すエンジン側異常信号を出力する。また、エンジン１には、イグニッションスイッチ、スタートスイッチ、クランク角センサ、車速センサ及びアクセルセンサ等が設置されており、これらのセンサの検出信号は、エンジンＣ／Ｕ５１に出力される。エンジンＣ／Ｕ５１は、クランク角センサから入力した信号をもとに、エンジン回転数Ｎｅを算出する。エンジンＣ／Ｕ５１は、燃料噴射量等の尿素水の噴射制御に必要な情報をＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に出力する。
ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、温度センサ７１，７２、ＮＯｘセンサ７３、尿素センサ７４及び残量センサ７５の検出信号、並びに燃料噴射量等の演算情報を入力するとともに、アシストエア圧力Ｐａ、尿素水圧力Ｐｕ及び尿素センサ電圧Ｖｓを入力する。アシストエア圧力Ｐａは、空気供給管４８内の圧力であり、空気供給管４８に設置された圧力センサ７６により検出される。尿素水圧力Ｐｕは、尿素水供給管４２内の圧力であり、フィードポンプ４４の下流の尿素水供給管４３に設置された圧力センサ７７により検出される。尿素センサ電圧Ｖｓは、尿素センサ７４の検知濃度に応じて出力される電圧であり、電圧センサ７８により検出される。ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、入力した信号及び情報をもとに、最適な尿素水噴射量を演算及び設定し、設定した尿素水噴射量に応じた指令信号を噴射ノズル４３に出力する。また、アシストエア圧力Ｐａ、尿素水圧力Ｐｕ、尿素センサ電圧Ｖｓ、濃度Ｄｎ及び残量Ｒｕをもとに、後述するように尿素水噴射系に異常が発生したことを検出し、エンジンＣ／Ｕ５１に対し、異常の発生を示すＳＣＲ側異常信号を出力する。
次に、エンジンＣ／Ｕ５１及びＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作をフローチャートにより説明する。
まず、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１の動作について説明する。
図３は、異常検出ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、イグニッションスイッチがオンされることにより起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。このルーチンにより尿素水噴射系に異常が発生したことが検出される。
Ｓ１０１では、アシストエア圧力Ｐａ、尿素水圧力Ｐｕ、尿素センサ電圧Ｖｓ、濃度Ｄｕ及び残量Ｒｕを読み込む。
Ｓ１０２では、アシストエア圧力Ｐａが所定の値Ｐａ２及びＰａ１（＜Ｐａ２）を上下限とする所定の範囲内にあるか否かを判定する。所定の範囲内にあるときは、Ｓ１０３へ進み、所定の範囲内にないときは、Ｓ１０８へ進む。所定の値Ｐａ１よりも小さいアシストエア圧力が検出されたときは、空気供給管４２でアシストエアの漏れが発生していると判断し、所定の値Ｐａ２よりも大きいアシストエア圧力が検出されたときは、噴射ノズル４３に詰りが発生していると判断する。噴射ノズル４３の詰りは、ノズル部４３２内で尿素が凝結し、通路が塞がれた場合等に発生する。
Ｓ１０３では、尿素水圧力Ｐｕが所定の値Ｐｕ１以上であるか否かを判定する。Ｐｕ１以上であるときは、Ｓ１０４へ進み、Ｐｕ１よりも小さいときは、Ｓ１０８へ進む。所定の値Ｐｕ１よりも小さい尿素水圧力が検出されたときは、フィードポンプ４４が故障し、尿素水を充分な圧力で供給し得ない状態にあると判断する。
Ｓ１０４では、尿素センサ電圧Ｖｓが所定の値Ｖｓ１以下であるか否かを判定する。Ｖｓ１以下であるときは、Ｓ１０５へ進み、Ｖｓ１よりも大きいときは、Ｓ１０８へ進む。所定の値Ｖｓ１よりも大きい尿素センサ電圧が検出されたときは、尿素センサ７４に断線が発生していると判断する。
Ｓ１０５では、残量Ｒｕが所定の値Ｒｕ１以上であるか否かを判定する。Ｒｕ１以上であるときは、Ｓ１０６へ進み、Ｒｕ１よりも小さいときは、タンク４１が空であり、残量が不足しているとして、Ｓ１０８へ進む。所定の値Ｒｕ１は、噴射に必要な最小限の残量に設定する。
Ｓ１０６では、濃度Ｄｕが所定の値Ｄｕ１以上であるか否かを判定する。Ｄｕ１以上であるときは、Ｓ１０７へ進み、Ｄｕ１よりも小さいときは、尿素水が過剰に希釈されているとして、Ｓ１０８へ進む。所定の値Ｄｕ１は、アンモニアの添加に必要な最低限の濃度に設定する。
Ｓ１０７では、尿素水噴射系に想定した異常は発生していないとして、ＳＣＲ側異常判定フラグＦｓｃｒを０に設定する。なお、以上のように検出されるアシストエアの漏れ、噴射ノズル４３の詰り、フィードポンプ４４の故障、尿素センサ７４の断線、尿素水の残量の不足及び尿素水の希釈が「第１の異常」に相当する。
Ｓ１０８では、尿素水噴射系に何らかの異常が発生したとして、ＳＣＲ側異常判定フラグＦｓｃｒを１に設定するとともに、警告灯を作動させ、異常の発生を運転者に認識させる。
図４は、尿素水噴射制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
Ｓ２０１では、ＳＣＲ側異常判定フラグＦｓｃｒを読み込み、読み込んだＦｓｃｒが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ２０２へ進み、０でないときは、尿素水噴射系に異常が発生しているとして、Ｓ２０８へ進む。
Ｓ２０２では、燃料噴射量Ｑｆ、ＮＯｘ濃度ＮＯＸ（ＮＯｘセンサ７３の出力である。）及び濃度Ｄｕを読み込む。
Ｓ２０３では、尿素水噴射量Ｑｕを演算する。尿素水噴射量Ｑｕの演算は、燃料噴射量Ｑｆ及びＮＯｘ濃度ＮＯＸに応じた基本噴射量を演算するとともに、算出した基本噴射量を濃度Ｄｕにより補正することにより行う。濃度Ｄｕが高く、単位噴射量当たりの尿素含有量が多いときは、基本噴射量に対して減量補正を施す。他方、濃度Ｄｕが低く、単位噴射量当たりの尿素含有量が少ないときは、基本噴射量に対して増量補正を施す。
Ｓ２０４では、エンジン側異常判定フラグＦｅｎｇを読み込み、読み込んだＦｅｎｇが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ２０５へ進み、０でないときは、エンジン１に異常が発生しているとして、Ｓ２０６へ進む。
Ｓ２０５では、Ｓ２０３で算出した尿素水噴射量Ｑｕを出力値Ｑｕに設定する。
Ｓ２０６では、Ｓ２０３で算出した尿素水噴射量Ｑｕに対し、エンジン１に発生した異常に応じた補正を施し、補正後のＱｕを出力値Ｑｕに設定する。発生した異常の態様は、エンジンＣ／Ｕ５１からその態様に応じた識別信号を入力することにより判断することができる。エンジン１について想定した異常毎にＮＯｘ排出量の変化の傾向を予め実験等により解明しておき、実際の運転に際し、発生した異常によるＮＯｘ排出量の増減に応じて尿素水噴射量を変化させる。例えば、異常によりＮＯｘ排出量が増大したときは、その増大分に応じた量だけ尿素水噴射量を増大させる。なお、尿素水噴射量の補正に併せ、エンジン部品の制御量マップを通常時のものから切り換え、ＮＯｘの発生自体を抑制する制御を行うとよい。
Ｓ２０７では、噴射ノズル４３に対し、設定した出力値Ｑｕに応じた作動信号を出力する。
Ｓ２０８では、尿素水の噴射を停止させる。尿素水噴射系に異常が発生している状態では、ＮＯｘ排出量に対して的確な量の尿素水を噴射することができず、適正値に対して尿素水噴射量が少ないときは、ＮＯｘが未浄化のまま大気中に放出されるおそれがあり、多いときは、尿素水が無駄に消費されるばかりでなく、過剰に発生したアンモニアがアンモニア浄化触媒３４により完全には分解されず、大気中に放出されるおそれがあるからである。また、タンク４１が空であるときは勿論、尿素水が過度に希薄であるときや、尿素水ではなく、水又は尿素水以外の異種水溶液がタンク４１に貯蔵されているときは、ＮＯｘの浄化に必要な量のアンモニアを添加することができないからである。
次に、エンジンＣ／Ｕ５１の動作について説明する。
図５は、異常検出ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、イグニッションスイッチがオンされることにより起動され、その後所定の時間毎に繰り返される。このルーチンによりエンジン１に異常が発生したことが検出される。
Ｓ３０１では、ＥＧＲ系異常判定フラグＦｅｇｒが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ３０２へ進み、１であるときは、ＥＧＲ系に異常が発生しているとして、Ｓ３０４へ進む。ＥＧＲ系の異常は、ＥＧＲコントロールユニット３６１により検出される。ＥＧＲコントロールユニット３６１は、ＥＧＲ弁３６に出力した指令信号の電圧を検出し、検出した電圧が所定の値よりも大きいときに、ＥＧＲ系の制御線に断線が発生していると判断して、ＥＧＲ系異常判定フラグＦｅｇｒを１に設定する。
Ｓ３０２では、ＶＮＴ系異常判定フラグＦｖｎｔが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ３０３へ進み、１であるときは、ＶＮＴ系に異常が発生しているとして、Ｓ３０４へ進む。ＶＮＴ系の異常は、ＶＮＴコントロールユニット１２２により検出される。ＶＮＴコントロールユニット１２２は、ブーストセンサにより検出される吸気圧力をもとに、この吸気圧力が正常を示す所定の範囲内にないときに、ＶＮＴ系に異常が発生していると判定する。なお、ブーストセンサは、サージタンク１３に設置され、サージタンク１３内の圧力を検出する。以上のように検出されるＥＧＲ系及びＶＮＴ系の異常が「第２の異常」に相当する。
Ｓ３０３では、エンジン側異常判定フラグＦｅｎｇを０に設定する。
Ｓ３０４では、エンジン側異常判定フラグＦｅｎｇを１に設定する。
図６は、エンジン制御ルーチンのフローチャートである。このルーチンは、所定の時間毎に実行される。
Ｓ４０１では、エンジン側異常判定フラグＦｅｎｇを読み込み、読み込んだＦｅｎｇが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ４０２へ進み、０でないときは、エンジン１に異常が発生しているとして、Ｓ４０７へ進む。
Ｓ４０２では、エンジン回転数Ｎｅや、アクセル開度ＡＰＯなど、エンジン部品の制御に用いられる各種の運転状態を読み込む。
Ｓ４０３では、ＳＣＲ側異常判定フラグＦｓｃｒを読み込み、読み込んだＦｓｃｒが０であるか否かを判定する。０であるときは、Ｓ４０４へ進み、０でないときは、尿素水噴射系に異常が発生しているとして、Ｓ４０５へ進む。
Ｓ４０４では、通常運転用マップを選択するとともに、読み込んだ運転状態により選択したマップを検索して、エンジン部品の制御量を演算する。なお、このエンジン部品には、ＥＧＲ弁３６及びターボチャージャ１２が含まれ、演算される制御量には、ＥＧＲ弁３６の開度及び（タービン１２ｂの）可動ベーン１２１の角度が含まれる。
Ｓ４０５では、低ＮＯｘ運転用マップを選択するとともに、読み込んだ運転状態により選択したマップ検索して、エンジン部品の制御量を演算する。尿素水噴射系に異常が発生しているときは、前述のように尿素水の噴射が停止されるが、低ＮＯｘ運転用マップを選択することによりＮＯｘの発生自体を抑制し、大気中へのＮＯｘの放出を抑制する。ＮＯｘの発生を抑制するため、例えば、ＥＧＲ率を増大させる（これに伴い、ＥＧＲ弁３６の開度及び可動ベーン１２１の角度が変更される。）とともに、燃料の噴射条件を変更する。例えば、噴射時期をクランク角に関して遅らせるとともに、噴射圧力を低下させる。噴射条件の変更によるエンジントルクの変動は、噴射量を調整して抑制する。
Ｓ４０６では、算出した制御量をエンジン部品のコントロールユニット３６１，１２２に出力する。
Ｓ４０７では、エンジン１に発生した異常の態様に応じた識別信号をＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１に出力する。例えば、発生した異常がＥＧＲ系に関するものであるときは、ＥＧＲ系の異常の発生を示す識別信号を出力する。ＥＧＲ系に異常が発生すると、排気の還流が停止されるため、ＮＯｘ排出量が増大する。ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１は、ＮＯｘ排出量の増大に対し、尿素水噴射量を増大させて、大気中へのＮＯｘの放出を防止する。
本実施形態に関し、タンク４１、尿素水供給管４２、噴射ノズル４３、フィードポンプ４４、空気供給管４８、尿素センサ７４及び残量センサ７５が還元剤添加手段としての機能を備え、還元剤の添加装置を構成する。尿素センサ７４は、濃度を検出する第１のセンサとしての機能と、残量を判定する第２のセンサとしての機能とを兼ね備えることもできる。また、エンジンＣ／Ｕ５１又はＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１が備える機能のうち、図３に示すフローチャート全体の機能が第１の異常検出手段に、図５に示すフローチャート全体の機能が第２の異常検出手段に、図４に示すフローチャートＳ２０１，２０４〜２０６，２０８の機能及び図６に示すフローチャートのＳ４０３〜４０５の機能が排気制御手段に相当する。エンジンＣ／Ｕ５１と、ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ６１とは、添加装置のコントローラを構成する。
本実施形態によれば、次のような効果を得ることができる。
第１に、エンジン１に異常が発生し、ＮＯｘ排出量が変化したときに、この変化に応じて尿素水噴射量を変化させ、実際のＮＯｘ排出量に見合ったものとすることで、尿素水が不足することによるＮＯｘの放出や、尿素水が過剰であることによるアンモニアの放出を防止することができる。
第２に、尿素水噴射系に異常が発生したときに、ＥＧＲ弁３６等のエンジン部品を制御し、ＮＯｘの発生自体を抑制することで、ＮＯｘの放出を抑制することができる。本実施形態では、エンジン部品の制御に併せ、尿素水の噴射を停止することとしたので、不安定な動作により尿素水が過剰に噴射され、アンモニアが放出されることを防止することができる。
第３に、尿素水噴射系の異常として、噴射ノズル４３等の部品の異常に加え、残量の不足や、希釈といった尿素水の異常を採用し、この異常の発生を検出したときに警告灯を作動させることで、運転者に対し、尿素水の適正な保持及び管理を促すことができる。
なお、以上では、尿素の加水分解によりアンモニアを発生させることとしたが、この加水分解のための触媒は、特に明示していない。加水分解の効率を高めるため、ＮＯｘの還元触媒（すなわち、ＮＯｘ浄化触媒３３）の上流に加水分解触媒を設置してもよい。
また、以上では、第２の異常として、ＥＧＲ系及びＶＮＴ系に発生する異常を採用したが、これらの異常に加え、燃料供給用のインジェクタや、このインジェクタに燃料を供給する燃料供給系に発生する異常を採用してもよい。インジェクタに発生する異常として、例えば、制御線の断線は、インジェクタに微弱な電流を通電し、そのときに流れる実際の電流が所定の値よりも小さいときに、発生していると判断することができる。また、燃料供給系に発生する異常として、例えば、燃料ポンプの故障は、コモンレール２２内の圧力を検出し、検出した圧力が所定の値よりも小さいときに、発生していると判断することができる。
本発明は、ガソリンエンジンの排気浄化装置に適用することもできる。
本発明の一実施形態に係るエンジンの構成 同上エンジン及びその排気浄化装置の制御系の構成 ＳＣＲ−Ｃ／Ｕが行う異常検出ルーチンのフローチャート 尿素水噴射制御ルーチンのフローチャート エンジンＣ／Ｕが行う異常検出ルーチンのフローチャート エンジン制御ルーチンのフローチャート
符号の説明
１…エンジン、１１…吸気通路、１２…ターボチャージャ、１３…サージタンク、２１…インジェクタ、２２…コモンレール、３１…排気通路、３２…酸化触媒、３３…ＮＯｘ浄化触媒、３４…アンモニア浄化触媒、３５…ＥＧＲ管、３６…ＥＧＲ弁、４１…タンク、４２…尿素水供給管、４３…噴射ノズル、４４…フィードポンプ、４５…フィルタ、４６…尿素水戻り管、４７…圧力制御弁、４８…空気供給管、５１…エンジンＣ／Ｕ、６１…ＳＣＲ−Ｃ／Ｕ、７１，７２…排気温度センサ、７３…ＮＯｘセンサ、７４…尿素センサ、７５…残量センサ、７６…空気圧力センサ、７７…尿素水圧力センサ、７８…素子部電圧センサ。

Claims (16)

  1. エンジンの排気にＮＯｘの還元剤を添加する還元剤添加手段と、
    還元剤添加手段に発生する異常を第１の異常として、この第１の異常が発生したことを検出する第１の異常検出手段と、
    エンジンから排出される時点での排気の組成に影響を与えるエンジン制御手段と協働して、第１の異常の発生が検出されたときと、それ以外の通常時とで、同じ運転条件に対するエンジンのＮＯｘ排出量を異ならせる排気制御手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
  2. 排気にＮＯｘの還元剤を添加する還元剤添加手段と、
    還元剤添加手段に発生する異常を第１の異常として、この第１の異常が発生したことを検出する第１の異常検出手段と、
    エンジンから排出される時点での排気の組成に影響を与えるエンジン制御手段に発生する異常を第２の異常として、この第２の異常が発生したことを検出する第２の異常検出手段と、
    第１及び第２の異常のうち、少なくとも一方の異常の発生が検出されたとき以外のときを通常時として、第１の異常の発生が検出された第１の異常発生時において、前記エンジン制御手段と協働して、同じ運転条件に対するエンジンのＮＯｘ排出量を通常時とは異ならせる一方、第２の異常の発生が検出された第２の異常発生時において、還元剤添加手段の還元剤添加量を通常時とは異ならせる排気制御手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
  3. 排気制御手段は、第２の異常によるＮＯｘ排出量の減少に対して還元剤添加量を減少させ、ＮＯｘ排出量の増加に対して還元剤添加量を増加させる請求項２に記載のエンジンの排気浄化装置。
  4. 排気を吸気通路に還流させる排気還流装置を備えるエンジンに設けられ、
    第２の異常検出手段は、第２の異常として、この排気還流装置に発生する異常を含む請求項２又は３に記載のエンジンの排気浄化装置。
  5. 吸入空気を圧縮して送り出す過給装置を備えるエンジンに設けられ、
    第２の異常検出手段は、第２の異常として、この過給装置に発生する異常を含む請求項２〜４のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
  6. 排気制御手段は、第１の異常の発生が検出されたときに、ＮＯｘ排出量を通常時よりも減少させるとともに、還元剤添加手段による還元剤の添加を停止させる請求項１〜５のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
  7. 還元剤添加手段は、ＮＯｘの還元剤又はその前駆体の水溶液を貯蔵するタンクと、排気通路に設置され、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液を噴射する噴射ノズルと、を含んで構成され、噴射ノズルにより還元剤又は前駆体水溶液を噴射して、排気にＮＯｘの還元剤を添加する請求項１〜６のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
  8. 還元剤添加手段は、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液に含まれる還元剤又は前駆体の濃度を検出する第１のセンサを含んで構成され、
    第１の異常検出手段は、第１の異常として、この第１のセンサにより検出された濃度の値が所定の範囲外にあることを含む請求項７に記載のエンジンの排気浄化装置。
  9. 還元剤添加手段は、タンクに貯蔵されている還元剤又は前駆体水溶液の残量を検出する第２のセンサを含んで構成され、
    第１の異常検出手段は、第１の異常として、この第２のセンサにより検出された残量の値が所定の値よりも小さいことを含む請求項７又は８に記載のエンジンの排気浄化装置。
  10. 排気にＮＯｘの還元剤を添加する還元剤添加手段と、
    エンジンから排出される時点での排気の組成に影響を与えるエンジン制御手段に発生する異常を第２の異常として、この第２の異常が発生したことを検出する第２の異常検出手段と、
    第２の異常の発生が検出されたときと、それ以外の通常時とで、還元剤添加手段の還元剤添加量を異ならせる排気制御手段と、を含んで構成されるエンジンの排気浄化装置。
  11. 排気制御手段は、第２の異常によるＮＯｘ排出量の減少に対して還元剤添加量を減少させ、ＮＯｘ排出量の増加に対して還元剤添加量を増加させる請求項１０に記載のエンジンの排気浄化装置。
  12. 排気を吸気通路に還流させる排気還流装置を備えるエンジンに設けられ、
    第２の異常検出手段は、第２の異常として、この排気還流装置に発生する異常を含む請求項１０又は１１に記載のエンジンの排気浄化装置。
  13. 吸入空気を圧縮して送り出す過給装置を備えるエンジンに設けられ、
    第２の異常検出手段は、第２の異常として、この過給装置に発生する異常を含む請求項１０〜１２のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
  14. ＮＯｘの還元剤がアンモニアである請求項１〜１３のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
  15. 車両用エンジンに設けられる請求項１〜１４のいずれかに記載のエンジンの排気浄化装置。
  16. 排気にＮＯｘの還元剤を添加するための添加装置と、
    添加装置を制御するコントローラと、を含んで構成され、
    コントローラは、通常時において、添加装置に対し、エンジンの運転状態に応じた量の還元剤を添加させる一方、
    この添加装置に異常が発生した第１の異常発生時には、エンジンから排出される時点での排気の組成に影響を与えるエンジン制御手段と協働して、エンジンのＮＯｘ排出量を通常時よりも減少させ、
    また、前記エンジン制御手段に異常が発生した第２の異常発生時には、発生した異常によるＮＯｘ排出量の変化に応じ、添加装置により添加される還元剤の量を変化させるエンジンの排気浄化装置。
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