JP2018112089A

JP2018112089A - 還元剤添加弁の異常診断装置

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Publication number: JP2018112089A
Application number: JP2017001872A
Authority: JP
Inventors: 謙太廣岡; Kenta Hirooka; 徹木所; Toru Kidokoro; 小木曽　誠人; Masato Ogiso; 誠人小木曽; 健白澤; Ken Shirasawa
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-01-10
Filing date: 2017-01-10
Publication date: 2018-07-19

Abstract

【課題】本発明は、還元剤添加弁の詰まりを精度良く検出することができる技術の提供を課題とする。
【解決手段】ポンプが還元剤を安定して汲み上げることできる状態にあるときに、先ず診断用ポンプ駆動処理を実行し、その診断用ポンプ駆動処理の開始後に診断用添加弁駆動処理を実行する。そして、診断用ポンプ駆動処理の開始後であって且つ診断用添加弁駆動処理の開始前における圧力センサの検出値に対する、診断用ポンプ駆動処理及び診断用添加弁駆動処理の双方が実行されている期間における圧力センサの検出値の低下分を積算して、その積算値が所定の閾値未満であれば還元剤添加弁に詰まりが生じていると診断するようにした。
【選択図】図３

Description

本発明は、内燃機関の排気通路に配置される還元剤添加弁の異常を診断する技術に関する。

理論空燃比より高いリーン空燃比の混合気で運転可能な内燃機関の排気を浄化するシステムとして、選択還元型触媒（ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）触媒）と、該
ＳＣＲ触媒より上流の排気中にＮＨ_３又はＮＨ_３の前駆体である還元剤を添加するための還元剤添加装置と、を備え、ＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_Ｘの量等に応じて、該ＳＣＲ触媒へ還元剤を供給するものが知られている。なお、上記の還元剤添加装置としては、還元剤を貯蔵するタンクと、該タンクから還元剤を汲み上げるためのポンプと、ポンプから吐出された還元剤を排気中に添加する還元剤添加弁と、を備えたものが知られている。

上記したシステムでは、還元剤添加弁の詰まりが発生する場合がある。そのような場合は、ＳＣＲ触媒へ供給される還元剤の量が流入ＮＯ_Ｘ量に見合う量より少なくなるため、ＳＣＲ触媒により浄化されないＮＯ_Ｘ量が増える可能性がある。そのため、還元剤添加弁の詰まりを検出して、運転者等に還元剤添加弁の修理や交換を促す必要がある。

ここで、還元剤添加弁の詰まりを検出する方法として、ポンプの出力を所定の一定出力に固定した状態で還元剤添加弁から還元剤を添加させたときの、前記還元剤添加弁に印加される還元剤圧力の低下量に基づいて、還元剤添加弁の詰まりを検出する方法が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１１−１１７４４１号公報特開２０１３−１１３２０２号公報特開２０１２−１０２６３７号公報特開２００８−２０２４６９号公報特開２００９−１８５６８５号公報

ところで、上記した従来技術では、還元剤添加弁の詰まりを検出する際に、ポンプの出力、言い換えるとポンプの仕事量を一定量に固定している。そのため、還元剤添加弁から還元剤が添加されることによって、該還元剤添加弁に印加される還元剤圧力が低下すると、ポンプの負荷が低下することで、該ポンプの回転速度が上昇することになる。その結果、還元剤添加弁に詰まりが生じている場合であっても、還元剤添加弁に印加される還元剤圧力の低下幅が小さくなる可能性がある。よって、還元剤添加弁の詰まりを精度良く検出することができない可能性がある。

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、還元剤添加弁の詰まりを精度良く検出することができる技術の提供にある。

本発明は、内燃機関の排気通路に配置され、該排気通路を流れる排気に還元剤を添加するための還元剤添加弁と、前記還元剤添加弁から排気へ添加するための還元剤を貯蔵する
ためのタンクと、前記タンクに貯蔵されている還元剤を汲み上げて、前記還元剤添加弁へ向けて圧送するポンプと、前記ポンプから吐出された還元剤を前記還元剤添加弁に導くための還元剤供給路と、前記還元剤供給路を流れる還元剤の圧力を検出する圧力センサと、を備えた還元剤添加装置に適用される、還元剤添加弁の異常診断装置である。この異常診断装置は、前記内燃機関を搭載する車両が停止状態にあり、且つ前記内燃機関がアイドル運転状態にあるときに、前記ポンプの回転速度が所定の一定回転速度となるように該ポンプを駆動させる処理である診断用ポンプ駆動処理を実行するポンプ制御手段と、前記ポンプ制御手段による前記診断用ポンプ駆動処理の開始後に、前記還元剤添加弁が開弁するように該還元剤添加弁を駆動させる処理である診断用添加弁駆動処理を実行する添加弁制御手段と、前記診断用ポンプ駆動処理の開始後であって且つ前記診断用添加弁駆動処理の開始前における前記圧力センサの検出値に対する、前記診断用ポンプ駆動処理及び前記診断用添加弁駆動処理の双方が実行されている期間における前記圧力センサの検出値の低下分を積算する演算手段と、前記演算手段により演算される積算値が所定の閾値未満であれば前記還元剤添加弁に詰まりが生じていると診断し、前記演算手段により演算される積算値が前記所定の閾値以上であれば前記還元剤添加弁に詰まりが生じていない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、還元剤添加弁の詰まりを精度良く検出することができる。

本発明を適用する内燃機関の排気系の概略構成を示す図である。診断処理の実行方法を示すタイミングチャートである。診断処理が実行される際にＥＣＵによって実行される処理ルーチンを示すフローチャートである。

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、車両の原動機として使用される圧縮着火式の内燃機関（ディーゼルエンジン）である。なお、内燃機関１は、希薄燃焼運転可能な火花点火式の内燃機関（ガソリンエンジン）であってもよい。

内燃機関１には、気筒内から排出される既燃ガス（排気）を流通させるための排気通路２が接続されている。排気通路２の途中には、触媒ケーシング３が配置されている。触媒ケーシング３は、筒状のケーシング内に、ＳＣＲ触媒が担持された触媒担体を収容している。前記触媒担体は、例えば、コーディライトやＦｅ−Ｃｒ−Ａｌ系の耐熱鋼等から形成されるハニカム形状の横断面を有するモノリスタイプの基材に、アルミナ系又はゼオライト系の触媒担体をコーティングしたものである。そして、前記触媒担体には、遷移金属元素であるＣｕやＦｅ等がイオン交換されて担持されている。このように構成されるＳＣＲ触媒は、排気中に含まれるＮＨ_３をＣｕやＦｅ等の酸点（吸着サイト）で化学吸着して、その吸着サイトに吸着されたＮＨ_３を還元剤として排気中のＮＯ_ＸをＮ_２に還元させる。

触媒ケーシング３より上流の排気通路２には、ＮＨ_３又はＮＨ_３の前駆体である還元剤を排気中へ添加するための還元剤添加弁４が配置されている。還元剤添加弁４は、還元剤供給路４０を介してポンプ４１と接続されている。ポンプ４１は、タンク４２に貯蔵されている還元剤を汲み上げて、還元剤添加弁４へ向けて圧送するための電動式のポンプであ
る。なお、還元剤供給路４０には、該還元剤供給路４０内の還元剤圧力を検出する圧力センサ４３が取り付けられている。また、タンク４２には、該タンク４２に貯蔵されている還元剤の量（残量）を検出する残量センサ４４が取り付けられている。ここで、還元剤添加弁４、還元剤供給路４０、ポンプ４１、タンク４２、圧力センサ４３、及び残量センサ４４の組み合わせは、本発明に係わる還元剤添加装置の一実施態様である。なお、タンク４２に貯蔵される還元剤としては、ＮＨ_３ガス、又は尿素やカルバミン酸アンモニウム等の水溶液を使用することができるが、本実施例では、尿素水溶液を用いるものとする。

還元剤添加弁４から尿素水溶液が噴射されると、該尿素水溶液が排気とともに触媒ケーシング３に流入する。その際、尿素水溶液が排気の熱を受けて熱分解され、又はＳＣＲ触媒により加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、ＮＨ_３が生成される。このようにして生成されたＮＨ_３は、ＳＣＲ触媒に吸着される。ＳＣＲ触媒に吸着されたＮＨ_３は、排気中に含まれるＮＯ_Ｘと反応してＮ_２に還元させる。

このように構成された内燃機関１には、ＥＣＵ５が併設されている。ＥＣＵ５は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、バックアップＲＡＭ等を備えた電子制御ユニットである。ＥＣＵ５には、前述した圧力センサ４３や残量センサ４４に加え、エアフローメータ６、アクセルポジションセンサ７、クランクポジションセンサ８、車速センサ９等の各種センサが電気的に接続されている。エアフローメータ６は、内燃機関１の吸気通路に取り付けられて、該内燃機関１に吸入される新気（空気）の量（吸入空気量）を検出する。アクセルポジションセンサ７は、図示しないアクセルペダルに取り付けられて、該アクセルペダルの操作量（アクセル開度）を検出する。クランクポジションセンサ８は、内燃機関１に取り付けられて、機関出力軸（クランクシャフト）の回転位置を検出する。車速センサ９は、内燃機関１が搭載される車両の走行速度を検出する。

また、ＥＣＵ５は、内燃機関１に取り付けられた各種機器（例えば、燃料噴射弁等）に加え、上記した還元剤添加弁４やポンプ４１等と電気的に接続されている。ＥＣＵ５は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、内燃機関１の各種機器、還元剤添加弁４、及びポンプ４１を電気的に制御する。例えば、ＥＣＵ５は、クランクポジションセンサ８の検出値から演算される機関回転速度と、アクセルポジションセンサ７の検出値から演算される機関負荷と、に基づいて、燃料噴射弁の燃料噴射量や燃料噴射時期を制御するための燃料噴射制御を行う。また、ＥＣＵ５は、触媒ケーシング３のＳＣＲ触媒へ流入するＮＯ_Ｘ量に基づいて、還元剤添加弁４から排気中へ尿素水溶液を添加させるための添加制御を行う。添加制御では、ＥＣＵ５は、還元剤添加弁４の開弁時における圧力センサ４３の検出値が所定の一定圧力となるように、ポンプ４１の仕事量を制御する。

本実施例におけるＥＣＵ５は、上記した既知の制御に加え、還元剤添加弁４の詰まりを検出するための診断処理を実行する。以下では、本実施形態における診断処理の実行方法について述べる。

図２は、本実施形態における診断処理の実行方法を説明するためのタイミングチャートであり、還元剤添加弁４の開閉状態、ポンプ４１の回転速度（ｒｐｍ）、圧力センサ４３の検出値（ｂａｒ）、及び圧力低下分の積算値の経時変化を示している。図２中のｔ０は、診断処理の開始時期であって、且つ診断用ポンプ駆動処理の開始時期を示している。図２中のｔ１は、診断用添加弁駆動処理の開始時期を示している。図２中のｔ２は、診断処理の終了時期（診断用ポンプ駆動処理及び診断用添加弁駆動処理の終了時期）を示している。また、図２中の３段目及び４段目のタイミングチャートにおける実線は、還元剤添加弁４に詰まりが発生している場合を示しており、一点鎖線は還元剤添加弁４に詰まりが発生していない場合を示している。

図２中のｔ０において、ＥＣＵ５は、診断用ポンプ駆動処理を開始する。ここでいう診断用ポンプ駆動処理は、ポンプ４１の回転速度を所定の一定回転速度となるように、ポンプ４１を駆動させる処理である。この診断用ポンプ駆動処理は、図２中のｔ０〜ｔ２までの期間において実行され続けるものとする。診断用ポンプ駆動処理の開始後において、圧力センサ４３の圧力が略一定圧力に安定すると（図２中のｔ１）、ＥＣＵ５は、圧力センサ４３の検出値を読み込み、バックアップＲＡＭ等に記憶させる（この時点で読み込まれる圧力センサ４３の検出値を以下では「基準圧力」と称する）。そして、ＥＣＵ５は、診断用添加弁駆動処理を開始する。ここでいう診断用添加弁駆動処理は、還元剤添加弁４を所定時間（図２中のｔ１〜ｔ２までの時間）にわたって開弁させ続ける処理である。ここで、診断用ポンプ駆動処理が実行されている状態で、診断用添加弁駆動処理が開始されると、還元剤添加弁４から排気中へ尿素水溶液が添加されるため、還元剤供給路４０の圧力が低下する。その際、ポンプ４１の回転速度が前記所定の一定回転速度に制御されているため、還元剤供給路４０の圧力が低下しても、ポンプ４１の回転速度が上昇しないことになる。その結果、圧力センサ４３の検出値が経時的に低下していくことになる。そして、圧力センサ４３の検出値の低下速度は、還元剤添加弁４に詰まりが発生している場合よりも還元剤添加弁４に詰まりが発生していない場合の方が早くなる。そこで、本実施形態では、前記基準圧力に対する、前記所定時間（図２中のｔ１〜ｔ２までの時間）中の圧力センサ４３の検出値の低下分（図２中のΔＰ）を積算して、圧力低下分の積算値ΣΔＰを演算する。圧力低下分の積算処理は、診断用添加弁駆動処理の開始時点から診断処理の終了時点までの期間（図２中のｔ１〜ｔ２までの期間）において行われるものとする。そして、診断処理の終了時点における前記積算値ΣΔＰが所定の閾値以上であれば、還元剤添加弁４に詰まりが発生していないと診断され、診断処理の終了時点における前記積算値ΣΔＰが前記所定の閾値未満であれば、還元剤添加弁４に詰まりが発生していると診断するようにした。なお、ここでいう所定の閾値は、前記積算値ΣΔＰが該所定の閾値未満になると、ＳＣＲ触媒におけるＮＯ_Ｘの浄化率に影響を与える程度の詰まりが還元剤添加弁４に発生しいていると考えられる値であり、予め実験又はシミュレーションの結果に基づいて定めておくものとする。このような方法によれば、前述した従来技術のように、ポンプの仕事量を一定量に制御して還元剤添加弁の詰まりを診断する方法に比べ、より精度の高い診断を行うことが可能になる。その結果、より軽度の詰まりを検出することも可能となる。

なお、ポンプ４１が安定して尿素水溶液を汲み上げることができない状態、例えば、車両の走行時のようにタンク４２内で尿素水溶液が動き回っている状態、車両が登坂路や降坂路を走行しているときのようにタンク４２が傾斜している状態、又はタンク４２内に残留している尿素水溶液が少ない状態等のように、ポンプ４１のエア噛み等が発生し得る状態で上記の診断処理が実行されると、たとえ還元剤添加弁４に詰まりが発生していても、詰まりが発生していないと誤診断される可能性がある。そこで、本実施形態では、ポンプ４１が安定して尿素水溶液を汲み上げることができる状態、例えば、車両が停止状態にあり且つ内燃機関１がアイドル運転状態にあること、タンク４２内に残留している尿素水溶液の量が十分に多いこと、車両が水平状態にあること、の少なくとも１つの条件が成立しているときに、実行されるものとする。

次に、本実施形態における診断処理の実行手順について図３に沿って説明する。図３は、診断処理が実行される際に、ＥＣＵ５によって実行され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、内燃機関１の運転中においてＥＣＵ５によって繰り返し実行される処理ルーチンである。

図３の処理ルーチンでは、ＥＣＵ５は、先ずＳ１０１の処理において、診断フラグの値が“０”であるか否かを判別する。診断フラグは、診断処理の終了時に“１”がセットされ、且つ内燃機関１の運転が停止されるときに“０”にリセットされるフラグである。該
Ｓ１０１の処理において否定判定された場合は、診断処理が実行済みであることになるため、ＥＣＵ５は、本処理ルーチンの実行を終了する。一方、Ｓ１０１の処理において肯定判定された場合は、診断処理が未だ実行されていないことになるため、ＥＣＵ５は、Ｓ１０２の処理へ進む。

Ｓ１０２の処理では、ＥＣＵ５は、診断条件が成立しているか否かを判別する。ここでいう診断条件は、前述したようにポンプ４１が安定して尿素水溶液を汲み上げることができる状態にあることに加え、ＳＣＲ触媒に対して尿素水溶液を供給可能な状態にあること等である。前者の具体的な条件は、車速センサ９により検出される車速が“０”であり、且つ内燃機関１がアイドル運転状態にあること、残量センサ４４の検出値が所定量以上であること、車両が水平状態にあること、の少なくとも１つの条件が成立していることである。後者の具体的な条件は、ＳＣＲ触媒のＮＨ_３吸着量に余裕があること、又はＳＣＲ触媒へＮＯ_Ｘが流入していること等である。該Ｓ１０２の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ５は、本処理ルーチンの実行を一旦終了する。一方、Ｓ１０２の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ５は、Ｓ１０３の処理へ進む。

Ｓ１０３の処理では、ＥＣＵ５は、診断用ポンプ駆動処理を開始する。すなわち、ＥＣＵ５は、ポンプ４１の回転速度が前述した所定の一定回転速度となるようにポンプ４１を制御する。

Ｓ１０４の処理では、ＥＣＵ５は、圧力センサ４３の検出値を読み込み、その検出値を基準圧力Ｐ０としてバックアップＲＡＭ等に記憶させる。なお、基準圧力Ｐ０を読み込むタイミングは、前記診断用ポンプ駆動処理の開始後であって、且つ圧力センサ４３の検出値が安定したときである。

Ｓ１０５の処理では、ＥＣＵ５は、還元剤添加弁４を開弁させることにより、診断用添加弁駆動処理を開始する。続いて、Ｓ１０６の処理では、ＥＣＵ５は、タイマＣを起動させる。タイマＣは、診断用添加弁駆動処理の開始時点からの経過時間を計測するタイマである。

Ｓ１０７の処理では、ＥＣＵ５は、圧力センサ４３の検出値Ｐを読み込む。そして、ＥＣＵ５は、Ｓ１０８の処理へ進み、前記Ｓ１０４の処理で読み込まれた基準圧力Ｐ０から前記Ｓ１０７の処理で読み込まれた圧力Ｐを減算することにより、圧力低下分ΔＰを演算する。さらに、ＥＣＵ５は、Ｓ１０９の処理において、圧力低下分の前回の積算値ΣΔＰｏｌｄに、前記Ｓ１０８で算出された圧力低下分ΔＰを加算することにより、診断用添加弁駆動処理の開始時点から現時点までにおける、圧力低下分の積算値ΣΔＰを演算する。

Ｓ１１０の処理では、ＥＣＵ５は、タイマの計測時間Ｃが所定時間Ｔ以上であるか否かを判別する。該Ｓ１１０の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ５は、Ｓ１０７の処理へ戻る。一方、該Ｓ１１０の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ５は、Ｓ１１１の処理へ進む。

Ｓ１１１の処理では、ＥＣＵ５は、前記Ｓ１０９の処理で算出された圧力低下分の積算値ΣΔＰが上記した所定の閾値Ｐｔｈｒｅ以上であるか否かを判別する。Ｓ１１１の処理において肯定判定された場合は、ＥＣＵ５は、Ｓ１１２の処理へ進み、還元剤添加弁４に詰まりが発生していない（正常）と診断する。また、Ｓ１１１の処理において否定判定された場合は、ＥＣＵ５はＳ１１３の処理へ進み、還元剤添加弁４に詰まりが発生していると診断する。ＥＣＵ５は、Ｓ１１２又はＳ１１３の処理を実行し終えると、Ｓ１１４の処理へ進む。

Ｓ１１４の処理では、ＥＣＵ５は、診断フラグに“１”をセットする。続いて、Ｓ１１５の処理では、ＥＣＵ５は、診断用ポンプ駆動処理及び診断用添加弁駆動処理を終了することにより、診断処理を終了する。さらに、ＥＣＵ５は、Ｓ１１６の処理において、圧力低下分の積算値ΣΔＰ、及びタイマＣを“０”にリセットする。

以上述べたように、ポンプ４１の回転速度を所定の一定回転速度に制御した状態で診断を行うことにより、ポンプ４１の仕事量を一定に制御した状態で診断を行う方法に比べ、還元剤添加弁４の詰まりをより精度良く検出することが可能となる。

なお、ＥＣＵ５がＳ１０３の処理を実行することにより、本発明に係わる「ポンプ制御手段」が実現される。また、ＥＣＵ５がＳ１０５の処理を実行することにより、本発明に係わる「添加弁制御手段」が実現される。さらに、ＥＣＵ５がＳ１０８〜Ｓ１０９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。そして、ＥＣＵ５がＳ１１１〜Ｓ１１３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。

１内燃機関
２排気通路
３触媒ケーシング
４還元剤添加弁
５ＥＣＵ
９車速センサ
４０還元剤供給路
４１ポンプ
４２タンク
４３圧力センサ
４４残量センサ

Claims

内燃機関の排気通路に配置され、該排気通路を流れる排気に還元剤を添加するための還元剤添加弁と、
前記還元剤添加弁から排気へ添加するための還元剤を貯蔵するためのタンクと、
前記タンクに貯蔵されている還元剤を汲み上げて、前記還元剤添加弁へ向けて圧送するためのポンプと、
前記ポンプから吐出された還元剤を前記還元剤添加弁に導くための還元剤供給路と、
前記還元剤供給路を流れる還元剤の圧力を検出する圧力センサと、
を備えた還元剤添加装置に適用される、還元剤添加弁の異常診断装置であって、
前記異常診断装置は、
前記内燃機関を搭載する車両が停止状態にあり、且つ前記内燃機関がアイドル運転状態にあるときに、前記ポンプの回転速度が所定の一定回転速度となるように該ポンプを駆動させる処理である診断用ポンプ駆動処理を実行するポンプ制御手段と、
前記ポンプ制御手段による前記診断用ポンプ駆動処理の開始後に、前記還元剤添加弁が開弁するように該還元剤添加弁を駆動させる処理である診断用添加弁駆動処理を実行する添加弁制御手段と、
前記診断用ポンプ駆動処理の開始後であって且つ前記診断用添加弁駆動処理の開始前における前記圧力センサの検出値に対する、前記診断用ポンプ駆動処理及び前記診断用添加弁駆動処理の双方が実行されている期間における前記圧力センサの検出値の低下分を積算する演算手段と、
前記演算手段により演算される積算値が所定の閾値未満であれば前記還元剤添加弁に詰まりが生じていると診断し、前記演算手段により演算される積算値が前記所定の閾値以上であれば前記還元剤添加弁に詰まりが生じていないと診断する診断手段と、
を備えることを特徴とする還元剤添加弁の異常診断装置。