JP5170689B2 - Exhaust gas purification device for internal combustion engine - 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。 The present invention relates to an exhaust emission control device for an internal combustion engine.
内燃機関の排出する排気ガスに含まれる窒素酸化物(NOx)を浄化する排気浄化装置として、尿素選択還元排気浄化装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この排気浄化装置は、排気通路に選択還元触媒(SCR)を備える触媒コンバータと、その上流側に設けられた尿素水添加弁とを備える。選択還元触媒は、その触媒担体に、酸化バナジウムなどの触媒金属を担持している。排気通路に尿素水を添加すると、排気ガスの熱により、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアとNOxが選択還元触媒においてNOxと脱硝反応して窒素と水が生成される。 A urea selective reduction exhaust purification device is known as an exhaust purification device that purifies nitrogen oxides (NOx) contained in exhaust gas discharged from an internal combustion engine (see, for example, Patent Document 1). This exhaust purification device includes a catalytic converter including a selective reduction catalyst (SCR) in an exhaust passage, and a urea water addition valve provided upstream thereof. The selective reduction catalyst carries a catalyst metal such as vanadium oxide on its catalyst carrier. When urea water is added to the exhaust passage, the urea water is hydrolyzed and ammonia is generated by the heat of the exhaust gas, and this ammonia and NOx undergo a denitration reaction with NOx in the selective reduction catalyst to generate nitrogen and water.
ところで、尿素選択還元排気浄化装置においては、NOxの浄化率が一定の範囲に保たれていることを常時監視する必要がある。このため、例えば、NOx濃度を検出するNOxセンサを排気通路の触媒コンバータの下流側に設け、NOxを浄化した後の排気ガスのNOx濃度をモニターし、NOxの浄化率が低下した場合には、異常と判断する。 By the way, in the urea selective reduction exhaust purification apparatus, it is necessary to constantly monitor that the NOx purification rate is maintained within a certain range. For this reason, for example, when a NOx sensor for detecting the NOx concentration is provided downstream of the catalytic converter in the exhaust passage, the NOx concentration of the exhaust gas after purifying NOx is monitored, and the NOx purification rate decreases, Judge as abnormal.
しかしながら、上記のようにNOx浄化率の異常を触媒コンバータの下流側に配置したNOxセンサで検出する方法では、NOx浄化率の異常の原因が、選択還元触媒の異常、尿素水の濃度異常又は尿素水添加量の異常(すなわち、尿素添加弁の異常)かどうかを個別に検出することが困難であった。 However, in the method of detecting an abnormality in the NOx purification rate with the NOx sensor arranged on the downstream side of the catalytic converter as described above, the cause of the abnormality in the NOx purification rate is an abnormality of the selective reduction catalyst, an abnormal concentration of urea water, or urea. It was difficult to individually detect whether the amount of water addition was abnormal (that is, whether the urea addition valve was abnormal).
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、NOx浄化率の異常が発生した際に、その異常原因を検出可能な尿素選択還元タイプの排気浄化装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a urea selective reduction type exhaust purification device capable of detecting the cause of abnormality when an abnormality in the NOx purification rate occurs. It is in.
本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスに含まれるNOxを尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、前記排気通路の前記選択還元触媒の上流側から前記選択還元触媒に向けて尿素水を添加する尿素水添加弁とを備える内燃機関の排気浄化装置であって、前記選択還元触媒のNOx浄化率が低下したときの異常原因を検出するために、前記排気通路の前記尿素水添加弁の下流側でかつ前記選択還元触媒の上流側にNOxセンサが設けられている。 An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine according to the present invention is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine, and selectively reduces NOx contained in exhaust gas selectively using ammonia produced by hydrolysis of urea water as a reducing agent. An exhaust purification device for an internal combustion engine, comprising: a catalyst; and a urea water addition valve that adds urea water toward the selective reduction catalyst from an upstream side of the selective reduction catalyst in the exhaust passage, wherein the NOx of the selective reduction catalyst In order to detect the cause of the abnormality when the purification rate decreases, a NOx sensor is provided downstream of the urea water addition valve in the exhaust passage and upstream of the selective reduction catalyst.
上記構成において、前記NOxセンサの検出信号を利用して、前記選択還元触媒のNOx浄化率の低下及びその異常原因を検出する異常検出手段をさらに有する、構成を採用できる。 In the above configuration, it is possible to employ a configuration that further includes abnormality detection means for detecting a decrease in the NOx purification rate of the selective reduction catalyst and the cause of the abnormality using the detection signal of the NOx sensor.
上記構成において、前記異常検出手段は、前記NOxセンサの検出信号と、検出した又は推定した前記選択還元触媒の下流側のNOx濃度とに基いて、前記選択還元触媒のNOx浄化率の低下を検出する、構成を採用できる。 In the above configuration, the abnormality detection means detects a decrease in the NOx purification rate of the selective reduction catalyst based on the detection signal of the NOx sensor and the detected or estimated NOx concentration downstream of the selective reduction catalyst. The configuration can be adopted.
上記構成において、前記異常検出手段は、前記選択還元触媒のNOx浄化率の低下を検出した際に、前記NOxセンサの検出信号と、検出した又は推定した前記尿素水添加弁の上流側のNOx濃度とに基いて、前記選択還元触媒へ供給されるアンモニア量を推定し、推定したアンモニア量に基いて、尿素水添加量の異常及び添加される尿素水濃度の異常を検出する、構成を採用できる。 In the above configuration, when the abnormality detecting unit detects a decrease in the NOx purification rate of the selective reduction catalyst, the NOx sensor detection signal and the detected or estimated upstream NOx concentration of the urea water addition valve are detected. Based on the above, it is possible to estimate the amount of ammonia supplied to the selective reduction catalyst, and based on the estimated amount of ammonia, detect an abnormality in the urea water addition amount and an abnormality in the concentration of the added urea water. .
上記構成において、前記異常検出手段は、尿素水濃度が正常な場合に、推定した前記アンモニア量に基いて、尿素添加量が正常かを判断し、異常と判断した場合には、前記尿素水添加弁の尿素水の添加量を補正する、構成を採用できる。 In the above configuration, when the urea water concentration is normal, the abnormality detection means determines whether the urea addition amount is normal based on the estimated ammonia amount. A configuration that corrects the amount of urea water added to the valve can be adopted.
上記構成において、前記尿素水添加弁の尿素水の添加量を補正した後にNOx浄化率が正常化されない場合には、前記選択還元触媒が異常と判断する、構成を採用できる。 In the above configuration, when the NOx purification rate is not normalized after correcting the urea water addition amount of the urea water addition valve, it is possible to adopt a configuration in which the selective reduction catalyst is determined to be abnormal.
上記構成において、前記異常検出手段は、尿素水の添加量が正常な場合に、推定したアンモニア量に基いて、尿素水の濃度が正常かを判別し、当該尿素水の濃度が正常な場合には、前記選択還元触媒が異常と判断する、構成を採用できる。 In the above configuration, the abnormality detection means determines whether the concentration of urea water is normal based on the estimated ammonia amount when the addition amount of urea water is normal, and when the concentration of urea water is normal Can adopt a configuration in which the selective catalytic reduction catalyst is determined to be abnormal.
上記前記異常検出手段は、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成されるための所定の条件を満たす場合に、前記アンモニア量を推定する、構成を採用できる。 The abnormality detection unit may employ a configuration in which the ammonia amount is estimated when a predetermined condition is satisfied for hydrolysis of urea water to generate ammonia.
本発明によれば、尿素選択還元型の排気浄化装置において、NOx浄化率の異常が検出された際に、その異常原因を検出可能となる。 According to the present invention, when an abnormality in the NOx purification rate is detected in the urea selective exhaust purification device, the cause of the abnormality can be detected.
以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図1は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
図1において、内燃機関1は、例えば、ディーゼルエンジンである。この内燃機関1の排気通路10には、上流側から、酸化触媒コンバータ30、ディーゼルパティキュレートフィルタ(DPF)40、尿素水添加弁62及び選択還元触媒コンバータ50が設けられている。また、排気通路10には、排気ガスEG中の窒素酸化物(NOx)の濃度を検出するNOxセンサ70A,70B及び70Cが設けられている。NOxセンサ70Aは、尿素水添加弁62の下流側でかつ選択還元触媒コンバータ50の上流側に設けられている。NOxセンサ70Bは、選択還元触媒コンバータ50の下流側に設けられている。NOxセンサ70Cは、尿素水添加弁62の上流側に設けられている。
Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a configuration diagram of an exhaust emission control device for an internal combustion engine according to an embodiment of the present invention.
In FIG. 1, the
酸化触媒コンバータ30は、後段のDPF40等に供給される排気ガスEGの温度を昇温させるために排気ガスEG中の未燃燃料等を酸化する触媒金属等からなる酸化触媒を担持している。
The
DPF40は、排気ガスEGに含まれる粒子状物質(PM)を捕集するフィルタである。DPF40の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。DPF40は、PMが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、たとえば、酸化触媒コンバータ30を昇温により活性化させ、酸化触媒コンバータ30の酸化作用により昇温された排気ガスEGをDPF40に供給する。これにより、捕集したPMが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。また、DPF40は、触媒金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。
The
尿素水添加弁62は、尿素タンク60に接続され、尿素タンク60から供給された所定の濃度の尿素水63を選択還元触媒コンバータ50に向けて排気通路10に添加する。尿素水添加弁62は、電子制御ユニット(ECU)100からの制御指令に応じた添加量を添加するようになっている。排気通路10に添加された尿素水は、排気ガスEGの熱により、加水分解されてアンモニアが生成される。
The urea
選択還元触媒コンバータ50は、尿素水添加弁62から添加される尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として用いて、排気ガスEGに含まれるNOxを選択的に還元して窒素ガスと水にする。この選択還元触媒コンバータ50は、周知の構造であり、例えば、Si、O、Alを主成分とすると共にFeイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒(V2O5)などの触媒金属を担持させたものなどを用いることができるが、特に、これらに限定されるわけではない。
The selective reduction
ECU100は、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、EEPROM(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)等のバックアップ用メモリ、A/D変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。このECU100には、3つのNOxセンサ70A〜70Cの検出信号が入力されるとともに、尿素水添加弁62に制御信号を出力する。なお、ECU100の処理内容については後述する。
The
次に、ECU100による排気浄化装置の異常検出処理の一例について図2に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図2に示す処理ルーチンは、内燃機関1の始動後に、例えば、所定時間毎に実行される。
Next, an example of the abnormality detection process of the exhaust purification device by the
先ず、選択還元触媒コンバータ50で浄化された排気ガスEGのNOx浄化率が所定範囲よりも低下しているかを判断する(ステップS1)。これは、たとえば、選択還元触媒コンバータ50の下流側のNOxセンサ70Bの検出値と、選択還元触媒コンバータ50の上流側のNOxセンサ70A又は70Cの検出値とから判断することができる。すなわち、選択還元触媒コンバータ50の上流側と下流側のNOx濃度を検出することにより、排気浄化装置のNOxの浄化率を算出でき、この値が所定範囲に収まっているかにより判断できる。
First, it is determined whether the NOx purification rate of the exhaust gas EG purified by the selective reduction
ステップS1において、NOx浄化率が所定範囲にある場合には、処理を終了し、NOx浄化率が低下して所定範囲外にあると判断したときは、排気浄化装置に異常が発生したと判断し、この異常原因を検出するために、先ず、尿素水添加弁62から添加される尿素水63の濃度が正常かを判断する(ステップS2)。尿素水濃度の異常を検出するには、例えば、尿素タンク60等に尿素水異常センサを設けることができるが、装置の簡素化のために、例えば、尿素タンク60への尿素水補充直後、尿素タンク60の交換直後などにおいて、NOx浄化率が低下していないか判断することにより、尿素水濃度が正常か否かを判断できる。
In step S1, when the NOx purification rate is within the predetermined range, the process is terminated, and when it is determined that the NOx purification rate falls and falls outside the predetermined range, it is determined that an abnormality has occurred in the exhaust purification device. In order to detect the cause of the abnormality, first, it is determined whether the concentration of the
ステップS2において、尿素水濃度が異常と判断した場合には、尿素水異常を検出する(ステップS9)。すなわち、NOx浄化率の低下の原因が、尿素水濃度の異常と判断される。 If it is determined in step S2 that the urea water concentration is abnormal, the urea water abnormality is detected (step S9). That is, it is determined that the cause of the decrease in the NOx purification rate is an abnormal urea water concentration.
ステップS2において、尿素水濃度が正常と判断した場合には、尿素水添加弁62の下流側と上流側のNOxセンサ70A,70Cの検出信号を用いて、現在選択還元触媒コンバータ50に添加されているアンモニア量を推定する(ステップS3)。ここで、尿素水添加弁62の下流側のNOxセンサ70Aは、排気ガスEGに含まれるNOxと、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアの双方を検出する。一方、尿素水添加弁62の上流側のNOxセンサ70Cは、排気ガスEGに含まれるNOxのみを検出する。したがって、NOxセンサ70Aの検出値とNOxセンサ70Cの検出値との差から、選択還元触媒コンバータ50に添加されるアンモニアの量を推定できる。なお、選択還元触媒コンバータ50に添加されるアンモニアの量をより精度良く推定するためには、尿素水63の加水分解が十分に進んだ状態におけるNOxセンサ70Aの検出値を用いることが好ましい。尿素水63の加水分解が十分に進んだ状態とは、例えば、排気ガスEGの温度が加水分解に必要な所定温度を超えた状態などである。
If it is determined in step S2 that the urea water concentration is normal, the urea water concentration is added to the currently selective
次いで、ステップS3において推定されたアンモニア量を用いて、尿素水添加弁62から添加されている実尿素水添加量を算出する(ステップS4)。すなわち、推定されたアンモニア量と尿素水63の濃度とに基いて、実尿素水添加量が算出される。
Next, the actual urea water addition amount added from the urea
次いで、ステップS4において算出した実尿素水添加量と尿素水添加弁62に対するECU100からの添加指示値との差を算出し、この差と所定の閾値とを比較する(ステップS5)。実尿素水添加量と添加指示値との差が所定の閾値よりも小さい場合には、実尿素水添加量は正常と判断し、後述するステップS7の処理を実行する。
Next, the difference between the actual urea water addition amount calculated in step S4 and the addition instruction value from the
ステップS5において、実尿素水添加量と添加指示値との差が所定の閾値よりも大きい場合には、尿素水63の添加量異常と判断する。すなわち、尿素水添加弁62の誤作動等により、適切な量の尿素水が添加されていないと判断する。このため、実尿素水添加量と添加指示値との差に基いて、実尿素水添加量が適正な量になるように尿素水の添加指示値を補正する(ステップS6)。
In step S5, when the difference between the actual urea water addition amount and the addition instruction value is larger than a predetermined threshold value, it is determined that the
次いで、排気浄化装置で浄化された排気ガスEGのNOx浄化率が正常化したかを判断する(ステップS7)。これは、ステップS1で説明したのと同様の方法で判断できる。ステップS6における実尿素水添加量の補正により、排気ガスEGのNOx浄化率が正常化した場合には、尿素水添加量の異常は解消されたと判断でき、処理を終了する。 Next, it is determined whether or not the NOx purification rate of the exhaust gas EG purified by the exhaust purification device has been normalized (step S7). This can be determined by the same method as described in step S1. If the NOx purification rate of the exhaust gas EG has been normalized by correcting the actual urea water addition amount in step S6, it can be determined that the abnormality in the urea water addition amount has been resolved, and the processing is terminated.
ステップS7において、排気ガスEGのNOx浄化率が正常化しない場合には、選択還元触媒コンバータ50の異常を検出する(ステップS8)。すなわち、尿素水の濃度が正常であり、かつ、尿素水の添加量が正常であるにも関わらず、排気ガスEGのNOx浄化率が正常化しない場合には、選択還元触媒コンバータ50に異常が存在すると判断できる。
If the NOx purification rate of the exhaust gas EG is not normalized in step S7, an abnormality in the selective
本実施形態では、NOx浄化率の低下及びその異常原因を検出するために、NOxセンサ70Aを尿素水添加弁62の下流でかつ選択還元触媒コンバータ50の上流に配置し、選択還元触媒コンバータ50に供給されるアンモニア量を推定することにより、NOx浄化率が低下する異常の原因を特定することが可能になる。
In the present embodiment, a
本実施形態では、選択還元触媒コンバータ50の下流及び尿素水添加弁62の上流にもNOxセンサ70B,70Cを配置する構成としたが、これらの代わりに、ECU100においてNOx推定モデルを構成し、選択還元触媒コンバータ50の下流及び/又は尿素水添加弁62の上流のNOx濃度を推定する構成とする構成とすることも可能である。
In the present embodiment, the
次に、ECU100による排気浄化装置の異常検出処理の他の例について図3に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図3に示す処理ルーチンは、内燃機関1の始動後に、例えば、所定時間毎に実行される。
Next, another example of the abnormality detection process of the exhaust gas purification apparatus by the
先ず、排気浄化装置で浄化された排気ガスEGのNOx浄化率が所定範囲よりも低下しているかを判断する(ステップS11)。これは、上記したステップS1と同様の処理により判断できる。 First, it is determined whether the NOx purification rate of the exhaust gas EG purified by the exhaust purification device is lower than a predetermined range (step S11). This can be determined by the same processing as in step S1 described above.
ステップS11において、NOx浄化率が所定範囲にある場合には、処理を終了し、NOx浄化率が低下して所定範囲外にあると判断したときは、排気浄化装置に異常が発生したと判断し、この異常原因を検出するために、先ず、尿素水添加弁62が正常かを判断する(ステップS12)。これは、例えば、流量計を尿素水添加システムに設けて尿素添加量を測ることにより判断できる。また、尿素水添加弁62における添加圧力を測定することによっても尿素水添加弁62が正常に動作しているかを判断することができる。
In step S11, if the NOx purification rate is within the predetermined range, the process is terminated, and if it is determined that the NOx purification rate falls outside the predetermined range, it is determined that an abnormality has occurred in the exhaust purification device. In order to detect the cause of the abnormality, first, it is determined whether the urea
ステップS12において、尿素水添加弁62が正常に動作していないと判断した場合には、尿素水添加弁異常を検出する(ステップS18)。ステップS12において、尿素水添加弁62が正常に動作していると判断した場合には、尿素水添加弁62の下流側と上流側のNOxセンサ70A,70Cの検出信号を用いて、現在選択還元触媒コンバータ50に添加されているアンモニア量を推定する(ステップS13)。この処理は、上記したステップS3と同様の処理である。
If it is determined in step S12 that the urea
次いで、尿素水添加弁62に対する指示添加量と推定したアンモニア量から、尿素水添加弁62から添加される尿素水63の濃度を算出する(ステップS14)。
Next, the concentration of the
次いで、ステップS14において算出した尿素水添加弁62から添加される尿素水63の濃度が基準値の範囲内であるかを判断する(ステップS15)。尿素水63の濃度が基準値の範囲内であると判断した場合には、尿素水添加量及び尿素水濃度のいずれも異常がないので、選択還元触媒コンバータ50の異常が検出される(ステップS16)。また、尿素水63の濃度が基準値の範囲外にあるときは、尿素水濃度の異常と判定する(ステーションS17)。
Next, it is determined whether the concentration of the
本実施形態によれば、NOxセンサ70Aを尿素水添加弁62の下流でかつ選択還元触媒コンバータ50の上流に配置し、選択還元触媒コンバータ50に供給されるアンモニア量を推定することにより、NOx浄化率が低下する異常を検出した場合に、NOx浄化率が低下する異常の原因を特定することが可能になる。
According to the present embodiment, the
1…内燃機関
10…排気通路
30…酸化触媒コンバータ
40…DPF
50…選択還元触媒コンバータ
60…尿素タンク
62…尿素水添加弁
63…尿素水
100…ECU
EG…排気ガス
DESCRIPTION OF
50 ... Selective reduction
EG ... Exhaust gas
Claims (5)
前記選択還元触媒のNOx浄化率が低下したときの異常原因を検出するために、前記排気通路の前記尿素水添加弁の下流側でかつ前記選択還元触媒の上流側にNOxセンサが設けられており、
前記NOxセンサの検出信号を利用して、前記選択還元触媒のNOx浄化率の低下及びその異常原因を検出する異常検出手段をさらに有し、
前記異常検出手段は、前記選択還元触媒のNOx浄化率の低下を検出した際に、前記NOxセンサの検出信号と、検出した又は推定した前記尿素水添加弁の上流側のNOx濃度とに基いて、前記選択還元触媒へ供給されるアンモニア量を推定し、推定したアンモニア量に基いて、尿素水添加量の異常、または、添加される尿素水濃度の異常を検出することを特徴とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。 A selective reduction catalyst that is provided in an exhaust passage of the internal combustion engine and selectively reduces NOx contained in the exhaust gas by hydrolysis of urea water using ammonia as a reducing agent; and the selective reduction catalyst in the exhaust passage. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine comprising a urea water addition valve for adding urea water toward the selective reduction catalyst from the upstream side,
For NOx purification rate of the selective reduction catalyst for detecting the cause of the abnormality when lowered, NOx sensor is provided on the upstream side of the downstream side a and the selective reduction catalyst of the urea water addition valve of the exhaust passage ,
Using a detection signal of the NOx sensor, further comprising an abnormality detection means for detecting a decrease in the NOx purification rate of the selective reduction catalyst and the cause of the abnormality,
The abnormality detecting means detects a decrease in the NOx purification rate of the selective reduction catalyst based on the detection signal of the NOx sensor and the detected or estimated NOx concentration upstream of the urea water addition valve. Estimating the amount of ammonia supplied to the selective reduction catalyst, and detecting an abnormality in the urea water addition amount or an abnormality in the concentration of the added urea water based on the estimated ammonia amount. An exhaust gas purification apparatus for an internal combustion engine characterized by the above.
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