JP2019196728A - 正常判定装置および正常判定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘ検出部が正常に作動しているか否かを判定することが可能な正常判定装置および正常判定方法を提供する。【解決手段】正常判定装置は、内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒装置の上流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出部の検出値を第１検出値として取得する第１検出値取得部と、選択還元型触媒装置の下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘ検出部の検出値を第２検出値として取得する第２検出値取得部と、選択還元型触媒装置により排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態である場合、第１検出値から第２検出値を減算した差分値が所定値以上であるとき、上流側ＮＯｘ検出部の作動は正常であると判定する一方、差分値が所定値未満であるとき、上流側ＮＯｘ検出部の作動は異常であると判定する正常判定部とを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、正常判定装置および正常判定方法に関する。

トラックやバス等の車両に搭載されるディーゼルエンジンの排気ガス中のＮＯｘを浄化するための排気ガス浄化システムとして、尿素水等を還元剤として用いてＮＯｘを窒素と水に還元する選択触媒還元（ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムが開発されている（例えば、特許文献１を参照）。

選択触媒還元システムは、尿素水タンクに貯留された尿素水を選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）上流側の排気通路（排気管）に供給し、排気ガスの熱で尿素を加水分解してアンモニアを生成し、このアンモニアによって選択還元型触媒装置内の触媒でＮＯｘを還元するものである。

特開２０００−３０３８２６号公報

ところで、排気ガス浄化システムには、選択還元型触媒装置の上流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出部が設けられる。そして、選択還元型触媒装置によるＮＯｘの浄化が効率的に行われるように、尿素水の供給量は、ＮＯｘ検出部の検出値に応じて決定される。また、ＮＯｘ検出部の検出値は、内燃機関の運転状態を制御するためにも用いられている。そのため、排気ガス浄化システムにおいてＮＯｘ検出部が正常に作動していることは重要であり、ＮＯｘ検出部の検出値には高い信頼性が要求されている。

本開示の目的は、ＮＯｘ検出部が正常に作動しているか否かを判定することが可能な正常判定装置および正常判定方法を提供することである。

本開示に係る正常判定装置は、
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒装置の上流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出部の検出値を第１検出値として取得する第１検出値取得部と、
前記選択還元型触媒装置の下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘ検出部の検出値を第２検出値として取得する第２検出値取得部と、
前記選択還元型触媒装置により前記排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態である場合、前記第１検出値から前記第２検出値を減算した差分値が所定値以上であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は正常であると判定する一方、前記差分値が前記所定値未満であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は異常であると判定する正常判定部と、
を備える。

本開示に係る正常判定方法は、
内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒装置の上流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出部の検出値を第１検出値として取得し、
前記選択還元型触媒装置の下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘ検出部の検出値を第２検出値として取得し、
前記選択還元型触媒装置により前記排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態である場合、前記第１検出値から前記第２検出値を減算した差分値が所定値以上であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は正常であると判定する一方、前記差分値が前記所定値未満であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は異常であると判定する。

本開示によれば、ＮＯｘ検出部が正常に作動しているか否かを判定することができる。

本実施の形態における車両の構成を示す図である。 本実施の形態における正常判定処理を示すフローチャートである。

以下、本開示の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態における車両１の構成を示す図である。図１に示すように、トラックやバス等の車両１には、内燃機関１０と、排気系２０と、制御部４０（具体的には、ＤＳＵ）とが搭載されている。排気系２０および制御部４０は、排気ガス浄化システムとして機能する。制御部４０は、本開示の「正常判定装置」に対応する一例である。

まず、内燃機関１０の構成について説明する。内燃機関１０は、例えばディーゼルエンジンである。内燃機関１０の燃焼室１１において、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１内に燃料を噴射する。なお、燃料噴射インジェクタ１３は、燃焼室１１の吸気ポートに燃料を噴射しても良い。燃料の噴射は、ＥＣＭ（図示せず）により制御される。また、燃焼室１１内の燃料は、ピストン１９の動作により圧縮されて燃焼する。

吸気バルブ１５および排気バルブ１７は、開閉可能に構成される。吸気バルブ１５が開くことで、吸気用配管５０からの新気が燃焼室１１に吸入される。また、排気バルブ１７が開くことで、燃焼室１１で燃料が燃焼して生じた排気ガスが排気系２０（具体的には、排気管２１）に送り出される。

次に、排気系２０の構成について説明する。排気系２０は、例えば車両１の下部に設けられ、主に金属製の排気管２１（本開示の「排気通路」に対応する一例である）を有する。この排気管２１は、内燃機関１０において燃料の燃焼により生じた排気ガスを大気中（車外）に導く。

また、排気管２１の途中には、排気ガスを浄化（無害化）するために、様々な後処理装置が設けられている。本実施の形態では、後処理装置として、ＤＯＣ（酸化触媒）２３Ａと、ＤＰＦ２３Ｂと、ＳＣＲ２３Ｃ（本開示の「選択還元型触媒装置」に対応する一例である）と、ＡＳＣ２３Ｄとが設けられている。

ＤＯＣ２３Ａは、金属製の担持体に、ロジウム、酸化セリウム、白金、酸化アルミニウム等を担持して形成される。ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれる炭化水素（ＨＣ）および一酸化炭素（ＣＯ）を分解除去する。また、ＤＯＣ２３Ａは、排気ガスに含まれるＮＯｘの大半を占める一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ２）を生成する機能も有している。この機能を利用することで、ＳＣＲ２３ＣのＮＯｘ浄化効率を向上することが可能になる。

排気管２１において、ＤＯＣ２３Ａの上流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における上流側）には、一時的に排気ガス中に燃料を供給して、燃料中の炭化水素（ＨＣ）をＤＯＣ２３Ａで酸化させ、その酸化反応熱を利用して排気ガスを昇温する燃料供給部２２（燃料供給インジェクタ）が配置されている。

ＤＰＦ２３Ｂは、多孔質セラミック製のハニカムのチャンネル（セル）の入口と出口を交互に目封じしたモノリスハニカム型のウオールフローフィルタから形成される。ＤＰＦ２３Ｂは、排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集除去する。

排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂよりも下流側（具体的には、排気ガスの流れ方向における下流側）であって、ＳＣＲ２３Ｃよりも上流側には、還元剤としての尿素水を噴射するためのインジェクタ２４が設けられている。

排気管２１において、ＳＣＲ２３Ｃの入口近傍には上流側ＮＯｘ検出部２６が設けられている。上流側ＮＯｘ検出部２６は、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに含まれる窒素酸化物（いわゆるＮＯｘ）の濃度を検出し、当該濃度を示す信号を制御部４０に出力する。

ＳＣＲ２３Ｃは、例えば円柱形状を有し、セラミックで作製されたハニカム担体を有する。ハニカム壁面には、例えばゼオライトやバナジウム等の触媒が担持またはコーティングされる。

上記のようなＳＣＲ２３Ｃは、排気管２１において、ＤＰＦ２３Ｂの下流側に配置される。また、排気管２１においてＤＰＦ２３ＢとＳＣＲ２３Ｃとの間には、インジェクタ２４により尿素水が噴射され、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに供給される。その結果、尿素水がアンモニアに加水分解される。アンモニアを含む排気ガスがＳＣＲ２３Ｃの表層付近で触媒の作用を受けることによって、ＮＯｘが窒素と水に反応する（還元反応）。これにより、排気ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）が浄化される。

ここで、加水分解は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度（例えば、２００℃）以上で起こる。したがって、本実施の形態では、インジェクタ２４は、ＳＣＲ２３Ｃに流入する排気ガスの温度が２００℃以上の場合に、尿素水を排気管２１内の排気ガスに供給する。尿素水の噴射は、制御部４０により制御される。なお、所定温度（２００℃）は、排気系２０の設計開発段階での実験・シミュレーション等により、アンモニアとＮＯｘとの反応温度等を考慮しつつ適宜適切に定められる。

ＡＳＣ２３Ｄ（アンモニアスリップ触媒）は、後段酸化触媒であって、ＤＯＣ２３Ａと同様の構成を有しており、排気管２１においてＳＣＲ２３Ｃの直ぐ下流に配置される。ＡＳＣ２３Ｄは、主として、ＳＣＲ２３Ｃにおいて還元反応に使用されずにスリップしてきたアンモニアが大気中に放出されないように、スリップしてきたアンモニアを酸化し除去する。それ以外にも、ＡＳＣ２３Ｄは、ＳＣＲ２３Ｃと同様の機能を有する場合もある。

排気管２１において、ＡＳＣ２３Ｄの下流側には下流側ＮＯｘ検出部２７が設けられている。この下流側ＮＯｘ検出部２７は、ＡＳＣ２３Ｄを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を検出し、当該濃度を示す信号を制御部４０に出力する。

以上の各後処理装置で排気ガスを処理して生成される水、窒素、二酸化炭素は、マフラー（図示せず）等を介して、大気中に排出される。

制御部４０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、制御プログラムを格納したＲＯＭ（Read Only Memory）、および、ＲＡＭ（Random Access Memory）等の作業用メモリ等を備える。ＣＰＵは、ＲＯＭから制御プログラムを読み出してＲＡＭに展開し、展開した制御プログラムと協働して各種処理の実行を制御する。

図１に示すように、制御部４０は、第１検出値取得部４１、第２検出値取得部４２、運転状態判定部４３および正常判定部４４を備える。

第１検出値取得部４１は、上流側ＮＯｘ検出部２６から出力された信号を入力し、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を第１検出値として取得する。ＳＣＲ２３ＣによるＮＯｘの浄化が効率的に行われるように、尿素水の供給量は、上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値に応じて決定される。また、上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値は、内燃機関１０の運転状態を制御するためにも用いられている。そのため、排気ガス浄化システムにおいて上流側ＮＯｘ検出部２６が正常に作動していることは重要であり、上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値には高い信頼性が要求されている。

第２検出値取得部４２は、下流側ＮＯｘ検出部２７から出力された信号を入力し、ＡＳＣ２３Ｄを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を第２検出値として取得する。

運転状態判定部４３は、ＳＣＲ２３Ｃにより排気管２１を通過する排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態であるか否かについて判定する。本実施の形態では、運転状態判定部４３は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度（例えば、２００℃）以上である場合（すなわち尿素水がアンモニアに加水分解される場合）、浄化可能状態であると判定する。一方、運転状態判定部４３は、ＳＣＲ２３Ｃを通過する排気ガスの温度が所定温度未満である場合、浄化可能状態でないと判定する。なお、運転状態判定部４３は、ＤＰＦ２３Ｂにより排気ガスに含まれる粒子状物質（ＰＭ）が捕集除去されている、すなわちＰＭが排出されていることを、例えばＤＰＦ２３Ｂの上流側に設けられているＰＭセンサ（図示せず）の検出値から確認して、浄化可能状態であるか否かについて判定しても良い。

正常判定部４４は、運転状態判定部４３により浄化可能状態であると判定された場合、第１検出値取得部４１により取得された第１検出値から第２検出値取得部４２により取得された第２検出値を減算した差分値が所定値以上であるとき、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動（具体的には、検出動作）は正常であると判定する一方、差分値が所定値未満であるとき、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は異常であると判定する。上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は異常である場合、上流側ＮＯｘ検出部２６が故障または劣化していることが考えられる。このように判定するのは、浄化可能状態、すなわちＳＣＲ２３Ｃにより排気ガスが正常に浄化されている状態である場合、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動が正常であれば、上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値が下流側ＮＯｘ検出部２７の検出値よりも大きくなることが通常の現象だからである。

本実施の形態では、正常判定部４４により用いられる所定値は０である。すなわち、正常判定部４４は、差分値が所定値（０）以上である場合、すなわち第１検出値が第２検出値以上である場合、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は正常であると判定する。また、正常判定部４４は、差分値が所定値（０）未満である場合、すなわち第１検出値が第２検出値未満である場合、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は異常であると判定する。

次に、図２のフローチャートを参照し、本実施の形態における制御部４０の正常判定処理例について説明する。図２の正常判定処理は、内燃機関１０が稼働している間、所定時間が経過する毎に実行される。

まず、第１検出値取得部４１は、上流側ＮＯｘ検出部２６から出力された信号を入力し、ＤＰＦ２３Ｂを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を第１検出値として取得する（ステップＳ１００）。次に、第２検出値取得部４２は、下流側ＮＯｘ検出部２７から出力された信号を入力し、ＡＳＣ２３Ｄを通過した排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を第２検出値として取得する（ステップＳ１２０）。

次に、運転状態判定部４３は、ＳＣＲ２３Ｃにより排気管２１を通過する排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態であるか否かについて判定する（ステップＳ１４０）。判定の結果、浄化可能状態でない場合（ステップＳ１４０、ＮＯ）、制御部４０は、図２における正常判定処理を終了する。

一方、浄化可能状態である場合（ステップＳ１４０、ＹＥＳ）、正常判定部４４は、第１検出値取得部４１により取得された第１検出値から第２検出値取得部４２により取得された第２検出値を減算した差分値を求める（ステップＳ１６０）。次に、正常判定部４４は、ステップＳ１６０にて求めた差分値が所定値以上であるか否かについて判定する（ステップＳ１８０）。

判定の結果、差分値が所定値以上である場合（ステップＳ１８０、ＹＥＳ）、正常判定部４４は、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は正常であると判定する（ステップＳ２００）。ステップＳ２００の処理が完了することによって、制御部４０は、図２における処理を終了する。一方、差分値が所定値未満である場合（ステップＳ１８０、ＮＯ）、正常判定部４４は、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は異常であると判定する（ステップＳ２２０）。ステップＳ２２０の処理が完了することによって、制御部４０は、図２における処理を終了する。

以上詳しく説明したように、本実施の形態では、正常判定装置（制御部４０）は、内燃機関１０の排気通路（排気管２１）に設けられた選択還元型触媒装置（ＳＣＲ２３Ｃ）の上流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値を第１検出値として取得する第１検出値取得部４１と、選択還元型触媒装置の下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘ検出部２７の検出値を第２検出値として取得する第２検出値取得部４２と、選択還元型触媒装置により排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態である場合、第１検出値から第２検出値を減算した差分値が所定値以上であるとき、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は正常であると判定する一方、差分値が所定値未満であるとき、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動は異常であると判定する正常判定部４４とを備える。

このように構成した本実施の形態によれば、浄化可能状態、すなわちＳＣＲ２３Ｃにより排気ガスが正常に浄化される状態である場合、上流側ＮＯｘ検出部２６の作動が正常であれば、上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値が下流側ＮＯｘ検出部２７の検出値よりも大きくなることを利用して、上流側ＮＯｘ検出部２６が正常に作動しているか否かを判定することができる。

なお、上記実施の形態では、正常判定部４４により用いられる所定値は０である例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、正常判定部４４により用いられる所定値は、０より大きい値でも良い。上流側ＮＯｘ検出部２６の作動が異常である場合の態様として、上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値が下流側ＮＯｘ検出部２７の検出値未満となる場合の他に、上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値が下流側ＮＯｘ検出部２７の検出値よりも大きいものの、下流側ＮＯｘ検出部２７の検出値に近い場合も考えられるからである。

また、上記実施の形態では、上流側ＮＯｘ検出部２６が正常に作動しているか否かを判定する例について説明したが、ＳＣＲ２３Ｃにより排気ガスが正常に浄化されている場合、下流側ＮＯｘ検出部２７（および上流側ＮＯｘ検出部２６）の作動が正常であれば、下流側ＮＯｘ検出部２７の検出値が上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値よりも小さくなることは通常の現象だと考えられる。よって、下流側ＮＯｘ検出部２７および上流側ＮＯｘ検出部２６の検出値を利用して、下流側ＮＯｘ検出部２７が正常に作動しているか否かも判定することもできる。

また、上記実施の形態は、何れも本開示を実施するにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本開示の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本開示はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

本開示は、ＮＯｘ検出部が正常に作動しているか否かを判定することが可能な正常判定装置および正常判定方法として有用である。

１ 車両
１０ 内燃機関
１１ 燃焼室
１３ 燃料噴射インジェクタ
１５ 吸気バルブ
１７ 排気バルブ
１９ ピストン
２０ 排気系
２１ 排気管
２２ 燃料供給部
２３Ａ ＤＯＣ
２３Ｂ ＤＰＦ
２３Ｃ ＳＣＲ
２３Ｄ ＡＳＣ
２４ インジェクタ
２６ 上流側ＮＯｘ検出部
２７ 下流側ＮＯｘ検出部
４０ 制御部
４１ 第１検出値取得部
４２ 第２検出値取得部
４３ 運転状態判定部
４４ 正常判定部
５０ 吸気用配管

Claims (4)

1. 内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒装置の上流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出部の検出値を第１検出値として取得する第１検出値取得部と、
   前記選択還元型触媒装置の下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘ検出部の検出値を第２検出値として取得する第２検出値取得部と、
   前記選択還元型触媒装置により前記排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態である場合、前記第１検出値から前記第２検出値を減算した差分値が所定値以上であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は正常であると判定する一方、前記差分値が前記所定値未満であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は異常であると判定する正常判定部と、
   を備える正常判定装置。
2. 前記所定値は、０以上の値である、
   請求項１に記載の正常判定装置。
3. 前記所定値は、０より大きい値である、
   請求項２に記載の正常判定装置。
4. 内燃機関の排気通路に設けられた選択還元型触媒装置の上流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する上流側ＮＯｘ検出部の検出値を第１検出値として取得し、
   前記選択還元型触媒装置の下流側を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘ検出部の検出値を第２検出値として取得し、
   前記選択還元型触媒装置により前記排気ガスの浄化が可能な浄化可能状態である場合、前記第１検出値から前記第２検出値を減算した差分値が所定値以上であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は正常であると判定する一方、前記差分値が前記所定値未満であるとき、前記上流側ＮＯｘ検出部の作動は異常であると判定する、
   正常判定方法。

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