JP2016118140A - 排気浄化装置の劣化診断システム - Google Patents

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徹 木所
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大河 萩本
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Abstract

【課題】本発明は、排気の流れ方向に沿って直列に配置された2つのSCR触媒を具備する排気浄化装置の劣化を診断するシステムにおいて、下流側SCR触媒より下流の排気通路にNOXセンサを配置せずに、排気浄化装置の劣化状態を診断することを課題とする。【解決手段】本発明は、上流側SCR触媒、及び該上流側SCR触媒より下流に配置される下流側SCR触媒を具備する排気浄化装置の劣化診断システムにおいて、上流側SCR触媒のNOX浄化率である上流側NOX浄化率が前記上流側SCR触媒及び前記下流側SCR触媒の全体で達成すべきNOX浄化率の下限値より小さく、且つ前記上流側SCR触媒の単独で達成すべきNOX浄化率の下限値より大きい場合に、前記添加装置から所定量の添加剤を添加させ、その添加前後における上流側NOX浄化率の変化量が所定の閾値未満であれば、前記排気浄化装置が劣化していると診断する。【選択図】図2

Description

本発明は、2つのSCR(Selective Catalytic Reduction)触媒が直列に配置された
排気浄化装置の劣化を診断する技術に関する。
内燃機関の排気浄化システムとして、アンモニアを還元剤として排気中のNOを還元する2つのSCR触媒を排気の流れ方向に沿って直列に配置したものが知られている。このような排気浄化装置の劣化を診断する方法として、上流側SCR触媒から流出するアンモニア量が閾値以上で、且つ下流側SCR触媒におけるNO浄化率が閾値以下の場合に、排気浄化装置が劣化していると診断する方法が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
特開2014−181668号公報 国際公開第2010/095221号 特開2008−291739号公報
ところで、上記した従来の方法は、下流側SCR触媒より下流の排気通路にNOセンサが配置され、そのNOセンサの測定値を用いることが前提となっている。そのため、下流側SCR触媒より下流の排気通路にNOセンサが配置されない構成においては、排気浄化装置の劣化を診断することができない。
本発明は、上記した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、排気の流れ方向に沿って直列に配置された2つのSCR触媒を具備する排気浄化装置の劣化を診断するシステムにおいて、下流側SCR触媒より下流の排気通路にNOセンサを配置せずに、排気浄化装置の劣化状態を診断することができる技術の提供にある。
本発明は、上記した課題を解決するために、以下のような手段を採用した。すなわち、本発明は、排気通路に配置されてアンモニアを還元剤として排気中のNOを還元する上流側SCR触媒、及び該上流側SCR触媒より下流の排気通路に配置されてアンモニアを還元剤として排気中のNOを還元する下流側SCR触媒を具備する排気浄化装置の劣化診断システムにおいて、前記排気浄化装置より上流の排気通路に配置されてアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を排気中に添加する添加装置と、前記上流側SCR触媒と前記下流側SCR触媒との間の排気通路に配置されて排気中のNO濃度を測定するNOセンサと、前記NOセンサの測定値に基づいて前記上流側SCR触媒へ流入するNOの量に対する前記上流側SCR触媒で還元されるNOの量の比率である上流側NO浄化率を演算する演算手段と、前記演算手段により算出される上流側NO浄化率が前記上流側SCR触媒及び前記下流側SCR触媒の全体で達成すべきNO浄化率の下限値より小さく、且つ前記上流側SCR触媒の単独で達成すべきNO浄化率の下限値より大きい場合に、前記添加装置から所定量の添加剤を添加させ、その添加前後に前記演算手段によって算出される上流側NO浄化率の差が所定の閾値未満であれば、前記排気浄化装置が劣化していると診断する診断手段と、を備えるようにした。
本発明によれば、排気の流れ方向に沿って直列に配置された2つのSCR触媒を具備する排気浄化装置の熱劣化を診断するシステムにおいて、下流側SCR触媒より下流の排気通路にNOセンサを設けずに、排気浄化装置の劣化を診断することができる。
本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 排気浄化装置の劣化を診断する際にECUが実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。 上流側SCR触媒のNO浄化率の変化量(ΔNO浄化率)と排気浄化装置全体のNO浄化率との相関を示す図である。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は、本発明を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、軽油を燃料とする圧縮着火式内燃機関(ディーゼルエンジン)である。ただし、本発明に係る内燃機関は、ディーゼルエンジンに限られるものではなく、リーン空燃比の混合気を燃焼して運転可能な火花点火式内燃機関であってもよい。
内燃機関1には排気管2が接続されている。排気管2の途中には、酸化触媒又は三元触媒を収容した第一触媒ケーシング3が配置される。第一触媒ケーシング3より下流の排気管2には、第二触媒ケーシング4と第三触媒ケーシング5とが直列に配置される。第二触媒ケーシング4は、アンモニアを還元剤として排気中のNOを還元するSCR触媒(上流側SCR触媒)を収容する。また、第三触媒ケーシング5は、第二触媒ケーシング4と同様に、アンモニアを還元剤として排気中のNOを還元するSCR触媒(下流側SCR触媒)を収容する。ここで、第二触媒ケーシング4と第三触媒ケーシング5の組合せは、本発明に係わる「排気浄化装置」に相当する。
第一触媒ケーシング3と第二触媒ケーシング4との間の排気管2には、添加弁6が配置される。添加弁6は、ポンプ60によりタンク61から汲み上げられる還元剤を排気中に添加する装置である。タンク61内に貯蔵される還元剤は、アンモニア又はアンモニアの前駆体であり、例えば、アンモニアガス、又は尿素水溶液である。なお、本実施例では、還元剤として、尿素水溶液を用いるものとする。
添加弁6から排気中に添加された尿素水溶液は、排気の熱を受けて熱分解され、又はSCR触媒において加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、アンモニアが生成される。このようにして生成されたアンモニアは、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒に吸着される。上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒に吸着されたアンモニアは、排気中に含まれるNOと反応して窒素や水を生成する。つまり、アンモニアは、NOの還元剤として機能する。ここで、添加弁6、ポンプ60、及びタンク61の組合せは、本発明に係わる「添加装置」に相当する。
第一触媒ケーシング3と第二触媒ケーシング4との間の排気管2には、第一NOセンサ9が配置される。第一NOセンサ9は、第二触媒ケーシング4の上流側SCR触媒へ流入する排気に含まれるNOの濃度を測定するセンサである。また、第二触媒ケーシング4と第三触媒ケーシング5との間の排気管2には、第二NOセンサ10が配置される。第二NOセンサ10は、第二触媒ケーシング4の上流側SCR触媒から流出する排気
(言い換えると、第三触媒ケーシング5の下流側SCR触媒へ流入する排気)に含まれるNOの濃度を測定するセンサである。
このように構成される内燃機関1には、電子制御ユニット(ECU)8が併設されている。ECU8は、前述した第一NOセンサ9及び第二NOセンサ10に加え、クランクポジションセンサ11、アクセルポジションセンサ12、及びエアフローメータ13等の各種センサと電気的に接続され、それら各種センサの出力信号が入力されるようになっている。なお、クランクポジションセンサ11は、内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)の回転位置を測定するセンサである。アクセルポジションセンサ12は、アクセルペダルの操作量(アクセル開度)を測定するセンサである。エアフローメータ13は、内燃機関1へ吸入される空気量(吸入空気量)を測定するセンサである。
ECU8は、前記各種センサの測定値に基づいて、内燃機関1の運転状態や添加弁6等を制御する。例えば、ECU8は、第一NOセンサ9の測定値に基づいて第一触媒ケーシング3の上流側SCR触媒に吸着されているアンモニアの量(以下、「NH吸着量」と称する)を推定し、そのNH吸着量が予め定められた目標NH吸着量となるように、添加弁6から供給される尿素水溶液の量を制御する。なお、本実施例では、第二触媒ケーシング4へ流入する排気のNO濃度は第一NOセンサ9によって検出可能であるが、内燃機関1から排出される排気のNO濃度は、内燃機関1の運転状態に相関することから、内燃機関1の運転状態に基づいて推定されてもよい。このように検出又は推定されるNO濃度に応じて、ECU8は添加弁6から供給される尿素水溶液の目標値(基本添加量)を決定し、その基本添加量に従って添加弁6を制御する。また、ECU8は、第二NOセンサ10の測定値に基づいて第三触媒ケーシング5の下流側SCR触媒のNH吸着量を推定し、そのNH吸着量が予め定められた目標NH吸着量となるように、添加弁6から供給される尿素水溶液の量を制御する。
上記した基本添加量を決定するにあたり、ECU8は、先ず上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒のそれぞれのNH吸着量を推定する。各SCR触媒のNH吸着量は、各SCR触媒へ供給されるNH(尿素水溶液が熱分解又は加水分解されて生成されるNH)の量から、各SCR触媒において消費されるNHの量(NOの還元に消費されるNHの量)とNHスリップ量(SCR触媒をすり抜けるNHの量)とを減算した値を積算することによって推定される。
ここで、各SCR触媒において消費されるNHの量は、各SCR触媒へ流入するNOの量(以下、「NO流入量」)と各SCR触媒のNO浄化率とをパラメータとして演算される。その際、NO流入量は、第一NOセンサ9又は第二NOセンサ10の測定値に排気流量(単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総量)を乗算することにより求められる。一方、各SCR触媒のNO浄化率は、各SCR触媒へ流入する排気の流量と各SCR触媒の温度とをパラメータとして求められる。なお、各SCR触媒のNO浄化率は、排気流量が多くなるほど低くなり、且つ各SCR触媒の温度が高くなるほど高くなる特性を有するため、そのような特性に基づいて各SCR触媒のNO浄化率を求めることができる。
また、NH吸着量の推定に用いられるNHスリップ量は、NH吸着量の前回の推定値と、各SCR触媒の温度と、排気の流量と、をパラメータとして求められる。ここで、排気の流量が一定であれば、各SCR触媒から流出する排気のNH濃度は、NH吸着量が多くなるほど高くなり、且つ各SCR触媒の温度が高くなるほど高くなる特性を有する。また、各SCR触媒から流出する排気のNH濃度が一定であれば、排気の流量が多くなるほど、単位時間あたりのNHスリップ量が多くなる。よって、先ず各SCR触媒のNH吸着量と各SCR触媒の温度とをパラメータとして各SCR触媒から流出する
排気のNH濃度を求め、次いで該NH濃度と排気の流量とを乗算することにより、各SCR触媒のNHスリップ量を求めることができる。
上記した方法により各SCR触媒のNH吸着量が推定されると、ECU8は、そのNH吸着量と目標NH吸着量との差(目標NH吸着量からNH吸着量の推定値を減算した値)を演算し、その差に相当する尿素水溶液の量を基本添加量に定める。なお、ここでいう目標NH吸着量は、一定量(例えば、各SCR触媒のNH吸着速度とNH脱離速度とが平衡状態になるときのNH吸着量)であってもよい。また、目標NH吸着量は、各SCR触媒のNO浄化率を一定とするために、NO流入量に応じて変更されてもよい。
次に、ECU8は、第二触媒ケーシング4及び第三触媒ケーシング5を含めた排気浄化装置の劣化診断を行う。以下、本実施例において排気浄化装置の劣化診断を実行する手順について図2に沿って説明する。図2は、排気浄化装置の劣化診断を行う際にECU8が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めECU8のROMに記憶されており、内燃機関1の運転期間中にECU8によって所定の周期で繰り返し実行される。
図2の処理ルーチンでは、ECU8は、先ずS101の処理において第一NOセンサ9の測定値と第二NOセンサ10の測定値とを読み込む。次いで、S102の処理では、ECU8は、前記S101の処理で読み込まれた測定値に基づいて、上流側SCR触媒のNO浄化率(上流側NO浄化率)を演算する。詳細には、ECU8は、先ず第二触媒ケーシング4のNO流入量と、該第二触媒ケーシング4から流出するNOの量(以下、「NO流出量」と称する)とを演算する。NO流入量は、前述したように、第一NOセンサ9の測定値に排気の流量を乗算することにより求められる。また、NO流出量は、第二NOセンサ10の測定値に排気の流量を乗算することにより求められる。次いで、ECU8は、前記NO流入量と前記NO流出量とを下記の式(1)に代入することにより、上流側NO浄化率を演算する。
(上流側NO浄化率)=((NO流入量)−(NO流出量))/(NO流入量)・・・(1)
S103の処理では、ECU8は、前記S102の処理で算出された上流側NO浄化率が第一閾値以下であるか否かを判別する。ここでいう「第一閾値」は、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体で達成すべきNO浄化率の下限値に相当し、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体のNO浄化率が該下限値を下回ると、排気浄化装置が劣化していると考えられる値である。該S103の処理において否定判定された場合は、上流側SCR触媒の単独で前記第一閾値以上のNO浄化率を達成することが可能であるため、ECU8は、S110の処理へ進み、排気浄化装置が劣化していない(正常)と判定する。一方、該S103の処理において肯定判定された場合は、ECU8は、S104の処理へ進む。
S104の処理では、ECU8は、前記S102の処理で算出された上流側NO浄化率が第二閾値以上であるか否かを判別する。ここでいう「第二閾値」は、前記第一閾値より小さい値であって、上流側SCR触媒の単独で達成すべきNO浄化率の下限値に相当する。つまり、上流側SCR触媒の単独のNO浄化率である上流側NO浄化率が該第二閾値を下回ると、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体のNO浄化率を前記第一閾値以上にすることができないと考えられる値である。なお、第二閾値以上且つ第一閾値以下の範囲が本発明に係わる「所定の範囲」に相当する。該S104の処理で否定判定された場合は、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体のNO浄化率を前記第一閾値以上にすることができないため、ECU8は、S110の処理へ進み、排気浄化装
置が劣化していると判定する。一方、該S104の処理において肯定判定された場合は、ECU8は、S105の処理へ進む。
S105の処理では、ECU8は、所定量の尿素水溶液が排気中に添加されるように前記添加弁6を制御する。ここでいう「所定量」は、予め定められた固定量であってもよいが、上流側NO浄化率の低下分を下流側SCR触媒で補うために必要となる尿素水溶液の量とすることが好ましい。詳細には、ECU8は、前記NO流入量と前記第一閾値とをパラメータとして、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体のNO浄化率を前記第一閾値以上とするために必要なNO浄化量(以下、「要求NO浄化量」と称する)を演算する。次いで、ECU8は、前記要求NO浄化量から上流側SCR触媒におけるNO浄化量を減算することで、下流側SCR触媒で浄化すべきNOの量(以下、「目標NO浄化量」と称する)を求める。そして、ECU8は、前記目標NO浄化量のNOを浄化するために必要となるアンモニアの量を演算し、その演算値と下流側SCR触媒のNH吸着量との差に相当する還元剤の量を前記所定量に定めればよい。
S106の処理では、ECU8は、第一NOセンサ9及び第二NOセンサ10の測定値を再度読み込み、それらの測定値に基づいて前記所定量の添加剤が添加された後における上流側NO浄化率を演算する。なお、ECU8が前記S102の処理、及び前記S106の処理を実行することにより、本発明に係わる「演算手段」が実現される。
S107の処理では、ECU8は、前記S106の処理で算出された上流側NO浄化率から前記S102の処理で算出された上流側NO浄化率を減算することで、所定量の添加剤の添加前後における上流側NO浄化率の変化量(ΔNO浄化率)を演算する。
S108の処理では、ECU8は、前記S107の処理で算出された上流側NO浄化率の変化量(ΔNO浄化率)が所定値α以上であるか否かを判別する。ここでいう所定値αは、前記変化量(ΔNO浄化率)が該所定値α以上であれば、添加弁6から添加される尿素水溶液を増量(言い換えると、下流側SCR触媒の目標NH吸着量を増量)させることで、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体のNO浄化率を前記第一閾値以上にすることができると考えられる値であり、本発明に係わる「所定の閾値」に相当する。ここで、図3に示すように、前記変化量(ΔNO浄化率)と上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体におけるNO浄化率との相関を予め実験的に求めておき、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒の全体のNO浄化率が前記第一閾値と等しくなるときの変化量(ΔNO浄化率)を所定値αに定めればよい。
前記S108の処理において肯定判定された場合は、ECU8は、S109の処理へ進み、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒を含む排気浄化装置が正常であると判定する。一方、前記S108の処理において否定判定された場合は、ECU8は、S110の処理へ進み、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒を含む排気浄化装置が劣化していると判定する。なお、ECU8が前記S107乃至S110の処理を実行することにより、本発明に係わる「診断手段」が実現される。
以上述べた手順によって排気浄化装置の劣化診断が実行されると、第三触媒ケーシング5より下流の排気管2にNOセンサを配置しなくても、上流側SCR触媒及び下流側SCR触媒を含む排気浄化装置の全体の劣化状態を診断することができる。
1 内燃機関
2 排気管
3 第一触媒ケーシング
4 第二触媒ケーシング
5 第三触媒ケーシング
6 添加弁
8 ECU
9 第一NOセンサ
10 第二NOセンサ
26 エアフローメータ

Claims (1)

  1. 内燃機関の排気通路に配置され、アンモニアを還元剤として排気中のNOを還元する上流側SCR触媒、及び該上流側SCR触媒より下流の排気通路に配置され、アンモニアを還元剤として排気中のNOを還元する下流側SCR触媒を具備する排気浄化装置の劣化診断システムにおいて、
    前記排気浄化装置より上流の排気通路に配置され、アンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を排気中に添加する添加装置と、
    前記上流側SCR触媒と前記下流側SCR触媒との間の排気通路に配置され、排気中のNO濃度を測定するNOセンサと、
    前記NOセンサの測定値に基づいて、前記上流側SCR触媒へ流入するNOの量に対する前記上流側SCR触媒で還元されるNOの量の比率である上流側NO浄化率を演算する演算手段と、
    前記演算手段により算出される上流側NO浄化率が前記上流側SCR触媒及び前記下流側SCR触媒の全体で達成すべきNO浄化率の下限値より小さく、且つ前記上流側SCR触媒の単独で達成すべきNO浄化率の下限値より大きい場合に、前記添加装置から所定量の添加剤を添加させ、その添加前後に前記演算手段によって算出される上流側NO浄化率の差が所定の閾値未満であれば、前記排気浄化装置が劣化していると診断する診断手段と、
    を備える排気浄化装置の劣化診断システム。
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