JP4710901B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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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ＮＯx選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水をＮＯx選択還元触媒に供給して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ＮＯx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、尿素水の異常を検出するために尿素水タンク内に尿素水濃度センサを配置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２００５−８３２２３号公報
しかしながらこの尿素水濃度センサは高価であり、より廉価な他の方法を使用したいのが現状である。
本発明は、廉価でかつ確実に尿素水の異常を検出することのできる排気浄化装置を提供することにある。
本発明によれば、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水を尿素水供給弁からＮＯx選択還元触媒に供給して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ＮＯx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、尿素水タンクをメインタンクと、メインタンク内に配置されかつメインタンクよりも小型でメインタンク内に連通するサブタンクとにより構成し、サブタンク内の尿素水を尿素水供給弁に送り込むと共に尿素水タンク内に尿素水を補充すべきときにはサブタンク内に尿素水が補充され、尿素水タンク内に尿素水が補充されたか否かを判断する尿素水補充判断手段と、ＮＯx浄化率が許容レベル以下まで低下したか否かを判断するＮＯx浄化率判断手段とを具備しており、尿素水タンク内に尿素水が補充された直後の機関運転時にＮＯx浄化率が許容レベル以下まで低下したと判断されたときには補充された尿素水が異常であると判定される。
尿素水の異常、即ち尿素水の濃度低下は、例えば規格外の尿素水が補充されたり、或いは尿素水以外の液体が補充されたときに主に生ずる。一方、尿素水の濃度低下は機関運転時におけるＮＯx浄化率の低下となって表れる。ところで本発明では尿素水がサブタンク内に補充され、サブタンク内の尿素水が尿素水供給弁から供給されるので尿素水の補充直後には補充された尿素水が尿素水供給弁から供給される。従って尿素水が補充された直後の機関運転時におけるＮＯx浄化率の低下から確実に尿素水の異常を検出することができ、従って廉価な方法で確実に尿素水の異常を検出できることになる。
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ＮＯx選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯx選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。
ＮＯx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。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ＮＯxがＮＯx選択還元触媒１５において還元される。図１に示されるように尿素水タンク２０内には尿素水タンク２０内の尿素水の液面の高さを検出可能なレベルセンサ４０が配置されており、このレベルセンサ４０は尿素水タンク２０内の尿素水の液面の高さに比例した出力を発生する。
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２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３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２３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２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。
また、本発明ではＮＯx浄化率が許容レベル以下まで低下したか否かを判断するＮＯx浄化率判断手段が設けられており、図１に示される実施例ではこのＮＯx浄化率判断手段は酸化触媒１６の下流に配置されたＮＯxセンサ４１からなる。このＮＯxセンサ４１は排気ガス中のＮＯx濃度に比例した出力を発生する。
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。レベルセンサ４０、ＮＯxセンサ４１および吸入空気量検出器８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４５にはアクセルペダル４５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４６が接続され、負荷センサ４６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４７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２２および燃料ポンプ２６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ＮＯx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、ＮＯx選択還元触媒１５は低温で高いＮＯx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ＮＯx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に図１に示される尿素水タンク２０の拡大図を示す。図２に示されるように本発明による実施例では、尿素水タンク２０はメインタンク２０ａと、メインタンク２０ａ内に配置されかつメインタンク２０ａよりも小型でメインタンク２０ａ内に連通するサブタンク２０ｂとにより構成される。このサブタンク２０ｂはメインタンク２０ａ内においてメインタンク２０ａ内の底部から上方に延びる筒状体５０内に形成されている。この筒状体５０の頂部はメインタンク２０ａ内に開放されており、筒状体５０の下端部は底壁５１によって覆われている。従って図２に示される実施例ではサブタンク２０ｂはカップ状をなしている。
図２に示されるようにサブタンク２０ｂの底部には小径の連通穴５２が形成されており、サブタンク２０ｂ内はこのサブタンク２０ｂの底部に形成された連通穴５２を介してメインタンク２０ａ内に連通せしめられている。サブタンク２０ｂ内の尿素水を尿素水供給弁１７に送り込むために供給ポンプ１９の尿素水吸込管５３がサブタンク２０ｂ内を下方に向けて延びており、この尿素水吸込管５３の先端部５４、即ち尿素水供給弁１７に送り込まれる尿素水の取入口５４はサブタンク２０ｂの底部に配置されている。
一方、図２に示されるようにメインタンク２０ａ内に尿素水を補充するための尿素水補充管５５がメインタンク２０ａの頂部の隅部に取付けられており、この尿素水補充管５５の内端部はサブタンク２０ｂの頂部においてサブタンク２０ｂ内に向けて開口している。尿素水タンク２０内に尿素水を補充すべきときには尿素水補充管５５の外端部に取付られたキャップ５６が取外ずされ、新たな尿素水が尿素水補充管５５を介してサブタンク２０ｂ内に補充される、即ち、本発明では尿素水タンク２０内に尿素水を補充すべきときにはサブタンク２０ｂ内に尿素水が補充される。
図２に示される例では尿素水の液面レベルを検出するためのレベルセンサ４０がメインタンク２０ａ内に配置されている。これに対し、図３に示される例ではレベルセンサ４０がサブタンク２０ｂ内に配置されている。
さて、前述したように尿素水の異常は、例えば規格外の尿素水が使用されたり、或いは尿素水以外の液体が不正使用されたときに主に生ずる。一方、機関運転時のＮＯx浄化率は廉価な方法で検出することができる。そこで本発明では、尿素水タンク２０内に尿素水が補充されたか否かを判断する尿素水補充判断手段と、ＮＯx浄化率が許容レベル以下まで低下したか否かを判断するＮＯx浄化率判断手段とを具備しており、尿素水タンク２０内に尿素水が補充された直後の機関運転時にＮＯx浄化率が許容レベル以下まで低下したと判断されたときには補充された尿素水が異常であると判定するようにしている。
この場合、本発明による実施例ではレベルセンサ４０により尿素水タンク２０内の尿素水の液面レベルが検出され、尿素水の液面レベルが予め定められた低レベル以下から上昇して予め定められた補充完了レベルを越えたときに尿素水が補充されたと判断される。
次に尿素水を補充したか否かを判断するための尿素水補充判断ルーチンについて図４を参照しつつ説明する。図４に示される例では尿素水タンク２０内の液面レベルが予め定められた低いレベルよりも低下したときにレベルセンサ４０の出力信号に基づいて低レベルフラグがセットされるように構成されており、ステップ６０ではこの低レベルフラグがセットされているか否かが判別される。低レベルフラグがセットされているときにはステップ６１に進んでレベルセンサ４０により液面レベルが、補充が完了したと推定される補充完了レベルＳＸを越えたか否かが判別される。液面レベルが補充完了レベルＳＸを越えたときにはステップ６２に進む。即ち、低レベルであった液面レベルが補充完了レベルを越えるまで上昇したときにはその間に尿素水が補充されたと考えられるのでステップ６２に進み、尿素水が補充されたと判断される。
図５は機関の運転が開始されると実行される尿素水の異常判定ルーチンを示している。
図５を参照するとまず初めにステップ７０において図４に示すルーチンによる判断結果に基づいて尿素水が補充されたか否かが判別される。尿素水が補充されたときにはステップ７１に進んでＮＯxセンサ４１により排気ガス中のＮＯx濃度が検出される。
例えば規格外の濃度の低い尿素水が補充されたり、或いは尿素水以外の還元力の弱い液体が補充されるとＮＯx選択還元触媒１５におけるＮＯx浄化率が低下するためにＮＯxセンサ４１に導びかれる排気ガス中のＮＯx濃度が高くなる。従って本発明による実施例ではＮＯxセンサ４１の検出値からＮＯx浄化率が予め定められた許容レベルＲＸ以下になったと判断されたときに尿素水が異常であると判断される。
もう少し詳細に説明すると本発明による実施例では機関から単位時間当り排出されるＮＯx量ＮＯＸＡが機関の出力トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図６に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、ステップ７１においてＮＯxセンサ４１によりＮＯx濃度が検出されると図３に示されるマップから算出された機関からの排出ＮＯx量ＮＯＸＡと、ＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx濃度および吸入空気量から算出されたＮＯx選択還元触媒１５からの流出ＮＯx量からＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が算出される。
ＮＯx浄化率が算出されるとステップ７２においてＮＯx浄化率が許容レベルＲＸ以下になったか否かが判別される。このときＮＯx浄化率≧ＲＸであればステップ７３に進んで尿素水は正常であると判断され、このときＮＯx浄化率＜ＲＸである場合にはステップ７４に進んで尿素水が異常であると判断される。このようにして尿素水が異常であるか否かが検出される。
前述したように本発明では補充すべき尿素水がサブタンク２０ｂ内に供給される。このときサブタンク２０ｂ内に補充前の尿素水が多少残留していたとしてもこの残留尿素水は補充された尿素水により連通穴５２を通ってメインタンク２０ａ内に押し出される。その結果、サブタンク２０ｂ内は補充後の尿素水で満たされることになる。従ってＮＯxセンサ４１の出力値から尿素水の異常判定が行われるときには補充後の尿素水が尿素水供給弁１７から供給されることになり、斯くして補充後の尿素水が異常であるか否かを確実に判断できることになる。
また、サブタンク２０ｂ内の尿素水は連通穴５２を介して小量ずつしかメインタンク２０ａ内に流出しないので尿素水の補充作用が行われているときにはサブタンク２０ｂ内の液面がメインタンク２０ａ内の液面よりも高くなる。即ち、尿素水の補充量がそれほど多くなくてもサブタンク２０ｂ内の液面が高くなる。従って図３に示されるようにレベルセンサ４０をサブタンク２０ｂ内に配置した場合には尿素水の補充量がそれほど多くないときでもレベルセンサ４０によって尿素水が補充されたことを検出することができるという利点がある。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 尿素水タンクの拡大図である。 尿素水タンクの別の実施例の拡大図である。 尿素水が補充されたか否かを判断するためのフローチャートである。 尿素水が異常であるか否かを判定するためのフローチャートである。 機関から単位時間当り排出されるＮＯx量ＮＯＸＡのマップを示す図である。
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 ＮＯx選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁
２０ 尿素水タンク
２０ａ メインタンク
２０ｂ サブタンク
４０ レベルセンサ
４１ ＮＯxセンサ
５２ 連通穴
５５ 尿素水補充管

Claims (6)

  1. 機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水を尿素水供給弁から該ＮＯx選択還元触媒に供給して該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ＮＯx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、上記尿素水タンクをメインタンクと、メインタンク内に配置されかつメインタンクよりも小型でメインタンク内に連通するサブタンクとにより構成し、該サブタンク内の尿素水を尿素水供給弁に送り込むと共に尿素水タンク内に尿素水を補充すべきときにはサブタンク内に尿素水が補充され、尿素水タンク内に尿素水が補充されたか否かを判断する尿素水補充判断手段と、ＮＯx浄化率が許容レベル以下まで低下したか否かを判断するＮＯx浄化率判断手段とを具備しており、尿素水タンク内に尿素水が補充された直後の機関運転時にＮＯx浄化率が許容レベル以下まで低下したと判断されたときには補充された尿素水が異常であると判定される内燃機関の排気浄化装置。
  2. 上記メインタンク内においてメインタンク内の底部から上方に延びる筒状体内に上記サブタンクが形成されており、尿素水供給弁に送り込まれる尿素水の取入口がサブタンク内の底部に配置されている請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 上記サブタンク内はサブタンクの底部に形成された連通穴を介してメインタンク内に連通せしめられている請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 上記メインタンク内に尿素水を補充するための尿素水補充管が上記サブタンク内に向けて開口している請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 尿素水タンク内の尿素水の液面レベルを検出し、尿素水の液面レベルが予め定められた低レベル以下から上昇して予め定められた補充完了レベルを越えたときに尿素水が補充されたと判断される請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. 尿素水の液面レベルを検出するためのレベルセンサが上記サブタンク内に配置されている請求項５に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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