JP2008274765A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】尿素水を用いた排気浄化装置の異常を検出する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒１５を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒１５上流の機関排気通路内に尿素水供給弁１７を配置する。ＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_x浄化率を検出するＮＯ_x浄化率検出手段と、尿素水の供給量を検出する尿素水供給量検出手段と、尿素水の濃度を検出する尿素水濃度検出手段による検出結果に基づいてＮＯ_x選択還元触媒１５、尿素水供給系および尿素水の異常を判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。

機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内に尿素水供給弁を配置し、尿素水供給弁からの供給尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関において、ＮＯ_x選択還元触媒の入口および出口に夫々ＮＯ_xセンサを配置してこれらＮＯ_xセンサの出力値からＮＯ_x選択還元触媒によるＮＯ_x低減率を求め、ＮＯ_xセンサの出力値から求められたＮＯ_x低減率が予め定められたＮＯ_x低減率範囲よりも低下したときにはＮＯ_x選択還元触媒に異常があると判定し、ＮＯ_xセンサの出力値から求められたＮＯ_x低減率が予め定められたＮＯ_x低減率範囲を越えたときにはＮＯ_xセンサに異常があると判定するようにした内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
特開２００６−３７７７０号公報

しかしながら尿素水を用いた排気浄化装置では尿素水供給弁の目詰まり等の不具合や、尿素水の濃度低下や、尿素水以外の液体の不正使用等によりＮＯ_xの浄化率が低下する場合があり、このような場合に上述の内燃機関ではＮＯ_x浄化率低下の原因を突き止めることができないという問題がある。

上記問題を解決するために本発明によれば、機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内に尿素水供給弁を配置し、尿素水供給弁からの供給尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_x選択還元触媒によるＮＯ_x浄化率を検出するＮＯ_x浄化率検出手段と、尿素水の供給量を検出する尿素水供給量検出手段と、尿素水の濃度を検出する尿素水濃度検出手段を具備しており、これらＮＯ_x浄化率検出手段、尿素水供給量検出手段および尿素水濃度検出手段による検出結果に基づいてＮＯ_x選択還元触媒、尿素水供給系および尿素水の異常を判定するようにしている。

ＮＯ_x選択還元触媒、尿素水供給系および尿素水の異常を判定することができる。

図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。

一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯ_x選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯ_x選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。

ＮＯ_x選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。供給管１８内には尿素水の供給量を検出する尿素水供給量検出手段、例えば流量計２１が配置され、尿素水タンク２０内には尿素水の濃度を検出する尿素水濃度検出手段、例えば尿素濃度センサ２２が配置されている。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素水から発生したアンモニア（（ＮＨ₂）₂ＣＯ＋Ｈ₂Ｏ→２ＮＨ₃＋ＣＯ₂）によって排気ガス中に含まれるＮＯ_xがＮＯ_x選択還元触媒１５において還元される。

排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２３を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２３内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２４が配置される。また、ＥＧＲ通路２３周りにはＥＧＲ通路２３内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２５が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２５内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２６を介してコモンレール２７に連結され、このコモンレール２７は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２８を介して燃料タンク２９に連結される。燃料タンク２９内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２８によってコモンレール２７内に供給され、コモンレール２７内に供給された燃料は各燃料供給管２６を介して燃料噴射弁３に供給される。

電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。酸化触媒１６の下流にはＮＯ_x選択還元触媒１５によるＮＯ_x浄化率を検出するＮＯ_x浄化率検出手段、例えば排気ガス中のＮＯ_x濃度を検出するためのＮＯ_xセンサ３９が配置されており、流量計２１、尿素濃度センサ２２、ＮＯ_xセンサ２９および吸入空気量検出器８の出力信号は夫々対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４０にはアクセルペダル４０の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４１が接続され、負荷センサ４１の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４２が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２４および燃料ポンプ２８に接続される。

酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ₂に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ₂はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ₂に転換されるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯ_x選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。一方、ＮＯ_x選択還元触媒１５は低温で高いＮＯ_x浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯ_x選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。

図２に圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す。この実施例では尿素水の供給量を検出する尿素水供給量検出手段として尿素水タンク２０内の尿素水の液面のレベルを検出するためのレベルセンサ４３が設けられている。また、この実施例ではパティキュレートフィルタ１３が酸化触媒１６の下流に配置され、従ってこの実施例では酸化触媒１２の出口が排気管１４を介してＮＯ_x選択還元触媒１５の入口に連結されている。

図１および図２に示される排気浄化装置においてＮＯ_x浄化率の低下する代表的な場合はＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化した場合である。ＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化するとＮＯ_x選択還元触媒１５から流出する排気ガス中のＮＯ_x濃度が高くなり、その結果ＮＯ_xセンサ３９の出力レベルが高くなる。従ってＮＯ_xセンサ３９の出力レベルからＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したか否かを判断することができる。

しかしながらＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化していなくても他の原因によってＮＯ_x浄化率が低下する場合があり、この場合にもＮＯ_xセンサ３９の出力レベルが高くなる。従ってＮＯ_xセンサ３９の出力レベルが高くなったからと言ってただちにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化したと判断することはできない。

ＮＯ_x選択還元触媒１５の劣化以外でＮＯ_x浄化率が低下する原因としては二つの原因が考えられる。一つの原因は例えば尿素水供給弁１７の目詰まり、供給管１８の目詰まりや破損、或いは供給ポンプ１９の劣化や故障等により、即ち尿素水供給系の不具合により尿素水の供給量が正規の量に対して減少した場合である。尿素水の供給量が減少するとＮＯ_xを十分に浄化しきれなくなるためにＮＯ_x浄化率が低下する。

もう一つの原因は尿素水以外の液体の不正使用その他の何らの理由によって尿素水の濃度が低下した場合である。尿素水の濃度が低下するとＮＯ_xを十分に浄化しきれなくなるためにＮＯ_x浄化率が低下する。

このようにＮＯ_x選択還元触媒１５が劣化しても、即ち異常になっても、尿素水の供給量が減少しても、即ち尿素水の供給系が異常になっても、尿素水の濃度が低下しても、即ち尿素水が異常になってもＮＯ_x浄化率が低下する。

そこで本発明ではＮＯ_x浄化率が低下した原因を突き止めるためにまず初めにＮＯ_x浄化率が低下したか否か、即ちＮＯ_x浄化率が異常であるか否かが判定される。というのはＮＯ_x浄化率が異常でないときにはＮＯ_x選択還元触媒、尿素水供給系および尿素水の全てが正常であると考えられ、従ってこのときには異常の原因を突き止める必要がないからである。

一方、ＮＯ_x浄化率が異常であると判定されたときには尿素水供給系および尿素水が異常であるか否かが判定される。このとき、尿素水供給系および尿素水は異常でないと判定されたときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が異常であると判定される。

一方、ＮＯ_x浄化率が異常であると判定されたときに尿素水供給系も異常であると判定されたときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が異常になっているためにＮＯ_x浄化率が異常になっているのか、或いは尿素水供給系が異常になっているためにＮＯ_x浄化率が異常になっているのかがわからない。そこでこの場合には尿素水供給量が正常な供給量となるように尿素水供給量を増大又は減少させ、このときＮＯ_x浄化率が異常でなくなった場合には尿素水供給系に異常があると判定するようにしている。

また、ＮＯ_x浄化率が異常であると判定されたときに尿素水も異常であると判定されたときにはＮＯ_x選択還元触媒１５が異常になっているためにＮＯ_x浄化率が異常になっているのか、或いは尿素水が異常になっているためにＮＯ_x浄化率が異常になっているのかがわからない。そこでこの場合には尿素の供給量が正常な供給量となるように尿素水供給量を増大又は減少させ、このときＮＯ_x浄化率が異常でなくなった場合には尿素水に異常があると判定するようにしている。

次に図３を参照しつつ異常を検出するためのルーチンについて説明する。この異常検出ルーチンは車両運転中に少くとも一回実行される。
図３を参照するとまず初めにステップ５０においてＮＯ_xセンサ３９の出力値からＮＯ_x浄化率が一定レベル以下に低下したか否か、即ちＮＯ_x浄化率が異常であるか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率が異常でないときには処理サイクルを完了する。このときにはＮＯ_x選択還元触媒１５、尿素水供給系および尿素水の全てが正常であると判断される。

一方、ＮＯ_x浄化率が異常であると判別されたときにはステップ５１に進んで尿素水供給系に異常があるか否かが判定される。この尿素水供給系の異常判定ルーチンの第１実施例が図４に示されており、第２実施例が図５に示されている。

まず初めに図４に示される第１実施例を参照するとステップ７０では機関の運転状態に応じて定められている尿素水の供給量から正常時の尿素水の流量Ｗ₀が算出される。次いでステップ７１では図１に示される流量計２１の出力信号から実際の尿素水の流量Ｗが検出される。次いでステップ７２では実際の尿素水の流量ＷがＷ₀−α（αは小さな値の一定値）とＷ₀＋αとの間にあるか否か、即ち正常であると考えられる許容範囲内にあるか否かが判別される。Ｗ₀−α＜Ｗ＜Ｗ₀＋αのときにはステップ７３に進んで正常であると判断される。

これに対し、ステップ７２においてＷ₀−α≧Ｗ又はＷ≧Ｗ₀＋αであると判断されたときにはステップ７４に進んで尿素水供給系に異常があると判定される。このときにはステップ７５において尿素水の流量を正常な流量Ｗ₀とするのに必要な尿素水の増大率、場合によっては減少率Ｋ₁（＝Ｗ₀／Ｗ）が算出される。

一方、図５に示される尿素水供給系の異常判断ルーチンは一定時間毎の割込みによって実行される。
図５を参照するとまず初めにステップ８０において尿素水タンク２０内の尿素量の初期値を検出したか否かが判別される。初期値が検出されていないときにはステップ８１に進んで図２に示されるレベルセンサ４３により尿素水タンク２０内の尿素水量Ｗ₁が検出される。初期値の検出が完了するとステップ８２に進み、機関の運転状態に応じて定められている尿素水の供給量Ｑの積算値ΣＱが算出される。

次いでステップ８３では尿素水供給量の積算値ΣＱが設定値ＱＸを越えたか否かが判別される。ΣＱ＞ＱＸになったときにはステップ８４に進んで尿素水タンク２０内の尿素水量Ｗ₂が検出される。次いでステップ８５では実際の尿素水の消費量Ｗ₁−Ｗ₂がΣＱ−β（βは小さな値の一定値）とΣＱ＋βとの間にあるか否か、即ち正常であると考えられる許容範囲内にあるか否かが判別される。ΣＱ−β＜Ｗ₁−Ｗ₂＜ΣＱ＋βのときにはステップ８６に進んで正常であると判断される。

これに対し、ステップ８５においてΣＱ−β≧Ｗ₁−Ｗ₂又はＷ₁−Ｗ₂≧ΣＱ＋βであると判断されたときにはステップ８７に進んで尿素水供給系に異常があると判断される。このときにはステップ８８において尿素水の供給量を正常な供給量とするのに必要な尿素水の増大率、場合によっては減少率Ｋ₁（ΣＱ／（Ｗ₁−Ｗ₂））が算出される。

再び図３に戻るとステップ５１では図４又は図５に示されるルーチンによって尿素水供給系に異常があるか否かが判別される。ステップ５１において尿素水供給系に異常がないと判断されたときにはステップ５７に進んで尿素水に異常があるか否かが判定される。この尿素水の異常判定ルーチンが図６に示されている。

図６を参照するとまず初めにステップ９０において予め定められている尿素水の正常濃度Ｄ₀が読込まれる。次いでステップ９１では尿素濃度センサ２２の出力信号から実際の尿素水の濃度Ｄが検出される。次いでステップ９２では実際の尿素水の濃度ＤがＤ₀−γ（γは小さな値の一定値）とＤ₀＋γとの間にあるか否か、即ち正常であると考えられる許容範囲内にあるか否かが判別される。Ｄ₀−γ＜Ｄ＜Ｄ₀＋γのときにはステップ９３に進んで正常であると判断される。

これに対し、ステップ９２においてＤ₀−γ≧Ｄ又はＤ≧Ｄ₀＋γであると判断されたときにはステップ９４に進んで尿素水に異常があると判断される。このときにはステップ９５において尿素の供給量を正常な供給量とするのに必要な尿素水の増大率、場合によっては減少率Ｋ₂（＝Ｄ₀／Ｄ）が算出される。

図３のステップ５７において図６に示されるルーチンにより尿素水に異常がないと判断されたときにはステップ６２に進んでＮＯ_x選択還元触媒１５に異常があると判定される。

一方、ステップ５１において尿素水供給系に異常があると判定されたときにはステップ５２に進んで図６に示すルーチンにより尿素水に異常があるか否かが判定される。尿素水に異常があるときには処理サイクルを完了する。これに対し、ステップ５２において尿素水に異常がないと判定されたときにはステップ５３に進んで尿素水の供給量が正常な供給量となるように、例えば間欠的に噴射している尿素水供給弁１７の開弁期間が図４又は図５において算出されたＫ₁倍とされる。

次いでステップ５４ではＮＯ_xセンサ３９の出力値からＮＯ_x浄化率が許容範囲内まで回復したか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率が回復したときにはステップ５５に進んで尿素水供給系に異常があると判定される。これに対し、ステップ５４においてＮＯ_x浄化率が回復しなかったと判断されたときはステップ５６に進んで尿素水供給系およびＮＯ_x選択還元触媒１５の双方に異常があると判定される。

一方、ステップ５７において尿素水に異常があると判定されたときにはステップ５８に進んで尿素の供給量が正常な供給量となるように、例えば間欠的に噴射している尿素水供給弁１７の開弁期間が図６において算出されたＫ₂倍とされる。

次いでステップ５９ではＮＯ_xセンサ３９の出力値からＮＯ_x浄化率が許容範囲内まで回復したか否かが判別される。ＮＯ_x浄化率が回復したときにはステップ６０に進んで尿素水に異常があると判定される。これに対し、ステップ５９においてＮＯ_x浄化率が回復しなかったと判断されたときはステップ６１に進んで尿素水およびＮＯ_x選択還元触媒１５の双方に異常があると判定される。

圧縮着火式内燃機関の全体図である。 圧縮着火式内燃機関の別の実施例を示す全体図である。 異常を検出するためのフローチャートである。 尿素水供給系の異常を判定するためのフローチャートである。 尿素水供給系の異常を判定するためのフローチャートである。 尿素水の異常を判定するためのフローチャートである。

符号の説明

４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯ_x選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁
２１ 流量計
２２ 尿素濃度センサ
３９ ＮＯ_xセンサ
４３ レベルセンサ

Claims (5)

1. 機関排気通路内にＮＯ_x選択還元触媒を配置し、該ＮＯ_x選択還元触媒上流の機関排気通路内に尿素水供給弁を配置し、尿素水供給弁からの供給尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯ_xを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯ_x選択還元触媒によるＮＯ_x浄化率を検出するＮＯ_x浄化率検出手段と、尿素水の供給量を検出する尿素水供給量検出手段と、尿素水の濃度を検出する尿素水濃度検出手段を具備しており、これらＮＯ_x浄化率検出手段、尿素水供給量検出手段および尿素水濃度検出手段による検出結果に基づいてＮＯ_x選択還元触媒、尿素水供給系および尿素水の異常を判定するようにした内燃機関の排気浄化装置。
2. まず初めにＮＯ_x浄化率が異常であるか否かが判定され、ＮＯ_x浄化率が異常であると判定されたときに尿素水供給系および尿素水が異常であるか否かが判定される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
3. ＮＯ_x浄化率が異常であると判定されたときに尿素水供給系および尿素水は異常でないと判定されたときにはＮＯ_x選択還元触媒が異常であると判定される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
4. ＮＯ_x浄化率が異常であると判定されたときに尿素水供給系も異常であると判定されたときには尿素水供給量が正常な供給量となるように尿素水供給量を増大又は減少させ、このときＮＯ_x浄化率が異常でなくなった場合には尿素水供給系に異常があると判定される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. ＮＯ_x浄化率が異常であると判定されたときに尿素水も異常であると判定されたときには尿素の供給量が正常な供給量となるように尿素水供給量を増大又は減少させ、このときＮＯ_x浄化率が異常でなくなった場合には尿素水に異常があると判定される請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。

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