JP6044867B2 - 内燃機関の排ガス浄化装置 - Google Patents
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Description
このような排ガス浄化装置では、尿素水を排ガス中に供給するのが一般的であり、尿素水インジェクタなどを用いて排ガス中に尿素水を噴射する。尿素水インジェクタから排ガス中に噴射された尿素水は排ガスの熱により加水分解し、その結果生成されるアンモニアが還元触媒に供給される。こうして還元触媒に供給されたアンモニアと排ガス中のNOxとの間の脱硝反応が還元触媒によって促進されることによりNOxが還元されて排ガスが浄化される。
内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるNOxを還元する還元触媒と、
前記還元触媒で浄化されたNOx量を算出するNOx量算出手段と、
前記NOx量算出手段により算出されたNOx量の浄化に必要な消費アンモニア量を算出する消費アンモニア量算出手段と、
前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニアの濃度をアンモニアセンサで計測し、スリップアンモニア量を算出するスリップアンモニア量算出手段と、
前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出する無効尿素量算出手段と、
前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量と前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する前記無効尿素量又は前記有効尿素量の割合を算出し、当該割合の値に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする。
そして、劣化判定手段を備えているため、算出された消費アンモニア量及びスリップアンモニア量に基づいて、還元触媒の劣化を判定することができる。これにより、還元触媒の劣化を検出することができる。
前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出する無効尿素量算出手段と、を備え、
前記劣化判定手段は、
前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量と前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する前記無効尿素量又は前記有効尿素量の割合を算出し、当該割合の値に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定することができる。
また、還元触媒の劣化の判定に、実際に消費された消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を用いており、排ガス通路中に実際に供給した尿素量を用いていない。したがって、精度良く還元触媒の劣化を判定することができる。
さらに、劣化判定手段にて、有効尿素量と無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する無効尿素量又は前記有効尿素量の割合を算出し、当該割合の値に基づいて還元触媒の劣化を判定するため、還元触媒の劣化を更に精度良く判定するこができる。
前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が第1閾値以上の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。
前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第1閾値以上となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。
前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が第2閾値以下の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。
前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第2閾値以下となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することとしてもよい。
前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記有効尿素量とすることとしてもよい。
前記スリップアンモニア量算出手段により計測されたスリップアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素量とすることとしてもよい。
図1は、本発明の実施形態に係る排ガス浄化装置が適用されたエンジンシステムの概略全体構成図である。また、図2は、判定ユニットの各部にて算出される算出結果及びその出力先を示す図である。
図1及び図2に示すように、ディーゼルエンジン(以下、エンジン1という)の排ガス浄化装置2は、前段酸化触媒4と、パティキュレートフィルタ(以下フィルタ6という)と、SCR(Selective Catalytic Reduction)触媒8と、後段酸化触媒10と、を備えている。
Control Unit)12によって電子制御されており、かかる噴射時期及び噴射量にて燃焼室5毎に設けられた燃料噴射弁3から、燃焼室5内に燃料が噴射される。
ECU12は、図示しない中央処理装置(CPU)、制御プログラムや制御マップ等を格納する記憶装置、走行距離カウンタ及びタイマカウンタ等を備えている。そして、ECU12は、エンジン1の運転条件や運転者の要求に応じてエンジン1の運転状態を制御する。
排ガス通路16は、ターボチャージャ7のタービン7aを経由して排ガス浄化装置2に接続されている。また、タービン7aはコンプレッサ7bと機械的に連結されており、タービン7aが排ガス通路16内を流動する排気を受けてコンプレッサ7bを駆動する。
フィルタ6は、排ガス中のPM(Paticulate Matter:粒子状物質)を捕集する。このフィルタ6はハニカム型のセラミック体からなり、上流側と下流側とを連通する通路が多数並設されると共に、この通路の上流側開口と下流側開口とが交互に閉鎖されており、エンジン1の排ガスが内部を流通することによって排ガス中のPMが捕集される。
そして、SCR用ケーシング18よりも下流の排ガス通路16には、後段酸化触媒10を収容するための筒状の下流側ケーシング38が設けられている。
そして、尿素水流量計23による計測結果は、尿素水流量計23から尿素水制御部22へ向けて出力される。なお、本実施形態では、尿素水供給用ポンプ25から供給される尿素水の流量を計測する尿素水流量計23を設けた場合について説明したが、これに限定されるものではなく、尿素水の供給量を計測可能なメータリングユニットを備えた尿素水供給用ポンプを用いてもよい。要は、尿素水供給用ポンプから供給される尿素水の流量を計測できる機能を備えていればよい。
使用すべき正規の尿素水の濃度は、予め定められており、本実施形態では、尿素の飽和状態である32.5%とした。以下、濃度32.5%を規定濃度という。なお、本実施形態では、規定濃度を32.5%としたが、この値に限定されるものではなく、32.5%未満としてもよいが、尿素水の消費量が増加するため、32.5%に近い値であることが望ましい。
判定ユニット13は、ECU12内に設けられている。そして、判定ユニット13は、NOx量算出部15、消費アンモニア量算出部30及び有効尿素量算出部17を備えている。
なお、本実施形態では、エンジン1の運転状態から第1NOx量を定める場合について説明したが、この方法に限定されるものではなく、例えば、タービン7aの直上流の排ガス通路16の部分にNOxセンサを設け、当該NOxセンサにより計測された計測値に、単位時間当たりの排ガス流量を乗算して、エンジン1から排出される単位時間当たりの第1NOx量を算出してもよい。
浄化NOx量=第1NOx積算量−第2NOx積算量・・・式(1)
この浄化NOx量は、所定の走行距離毎に算出される。
Nn=(浄化NOx量/46)×17 ・・・式(2)
ここで、Nnは消費アンモニア量(g)であり、浄化NOx量は上記式(1)から算出される値(g)である。また、値46はNO2の分子量(g)、値17はNH3の分子量(g)である。
そして、算出された消費アンモニア量は、消費アンモニア量算出部30から有効尿素量算出部17へ向けて出力される。
An=(Nn/(17×2))×60×β ・・・式(3)
ここで、Anは有効尿素量(g)であり、Nnは上記式(2)から算出される消費アンモニア量(g)である。また、値17はNH3の分子量(g)、値2はモル数、値60は尿素の分子量(g)である。さらに、βは、実験等から求められる係数である。係数βの値は予め決定されている。
なお、本実施形態では、上記式(2)から算出した消費アンモニア量Nnに基づいて有効尿素量Anを算出した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば有効尿素量算出部17は、上記式(1)により算出された浄化NOx量を還元するのに必要な有効尿素量を直接、算出してもよい。具体的に1モルの尿素は、2モルのNO2と反応して浄化される(即ち、尿素1モルに対してNO22モルが1当量となる)ため、有効尿素量Anを、次式(4)により算出してもよい。
An=(浄化NOx量/(46×2))×60×β ・・・式(4)
ここで、Anは有効尿素量(g)であり、浄化NOx量は上記式(1)から算出される値(g)である。また、値46はNO2の分子量(g)、値2はモル数、値60は尿素の分子量(g)である。そして、βは実験等から求められる係数である。
Un=An×(1/0.325) ・・・式(5)
ここで、Unは、必要尿素水量(g)であり、値0.325は、尿素水の規定濃度である。
算出された有効尿素量An及び必要尿素水量Unは、有効尿素量算出部17からそれぞれ劣化判定部35(後述する)及び尿素水制御部22に向けて出力される。
排ガス中に供給された尿素水は霧化し、排ガスの熱により加水分解してNH3となってSCR触媒8に供給される。SCR触媒8は、NH3と排ガス中のNOxとの脱硝反応を促進することにより、NOxを還元して無害なN2とする。なお、このときNH3がNOxと反応せずにSCR触媒8から流出した場合には、このNH3が後段酸化触媒10によって排ガス中から除去される。
NH3センサ11による計測結果は、NH3センサ11から後述するスリップアンモニア量算出部27へ向けて出力される。
SAn=(NH3濃度×Egas)/106 ・・・式(6)
ここで、SAnはスリップアンモニア量(g)であり、NH3濃度はNH3センサ11により計測された値(ppm)であり、EgasはSCR触媒8と後段酸化触媒10との間の排ガス通路16を通過する排ガスの体積流量を標準状態(10℃、1atm)に換算した排ガス体積流量(L)である。排ガス体積流量は、所定の時間間隔で取得され、スリップアンモニア量算出部27に格納される。
算出したスリップアンモニア量SAnは、スリップアンモニア量算出部27から無効尿素量算出部19に向けて出力される。
Qn=(SAn/(22.4×2))×60 ・・・式(7)
ここで、Qnは無効尿素量(g)であり、SAnは上記式(6)により算出されたスリップアンモニア量(g)である。また、値22.4は標準状態(10℃、1atom)における1モルの体積(L)、値2はモル数、値60は尿素の分子量(g)である。
なお、本実施形態では、NH3センサ11により計測されたNH3濃度から無効尿素量Qnを算出する過程において、式(6)及び式(7)をそれぞれ計算した場合について説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、式(6)及び式(7)をまとめた次式(8)にて、無効尿素量Snを算出してもよい。
Qn=(((NH3濃度×Egas)/106)/22.4)×(1/2)×60 ・・・式(8)
算出された無効尿素量Qnは、無効尿素量算出部19から後述する劣化判定部35に向けて出力される。
劣化判定部35は、無効尿素量算出部19により算出された無効尿素量Qn及び有効尿素量算出部17により算出された有効尿素量Anに基づいて、次式(9)にてSCR触媒8を通過するNH3のスリップ率Rsを算出する。
Rs =Qn/(An+Qn) ・・・式(9)
ここで、RsはSCR触媒8を通過するNH3のスリップ率である。また、Qnは無効尿素量算出部19より算出された無効尿素量(g)であり、Anは有効尿素量算出部17より算出された有効尿素量(g)である。
そして、スリップ率Rsが第1閾値未満である場合、SCR触媒8が正常であるとして、この判定結果を記憶装置に格納する。判定結果は、対応する総走行距離情報に紐付けられて格納される。また、運転席付近に設置された緑色の正常ランプ36を点灯させて、SCR触媒8が正常であることを表示する。なお、本実施形態では、スリップ率Rsが第1閾値未満のときに正常ランプ36を点灯させる場合について説明したが、これに限定されるものではなく、正常ランプ36を点灯させる等の対策を実施しなくても良い。なお、第1閾値は、NOxの平均浄化率に基づいて設計等により決定される値である。
そして、劣化判定部35は、判定回数Naが予め設定された所定回数Nth(例えば、4回)以上になったら、運転席付近に設置された警告ランプ37を点滅又は点灯させて、SCR触媒8が劣化していることを運転手に警告する。
次に、上述した構成からなる排ガス浄化装置2を用いたSCR触媒8の劣化判定フローについて図4を用いて説明する。
そして、算出された浄化NOx量は、NOx量算出部15から消費アンモニア量算出部30に向けて出力される。
そして、算出された消費アンモニア量は、消費アンモニア量算出部30から有効尿素量算出部17にむけて出力される。
有効尿素量算出部17は、消費アンモニア量算出部30により算出された消費アンモニア量に基づいて上記式(3)より、当該消費アンモニア量を生成するのに必要な有効尿素量を算出する(ステップS8)。
そして、算出された有効尿素量は有効尿素量算出部17から劣化判定部35に向けて出力される。
そして、算出されたスリップアンモニア量はスリップアンモニア量算出部27から無効尿素量算出部19に向けて出力される。
無効尿素量算出部19は、スリップアンモニア量算出部27により算出されたスリップアンモニア量に基づいて上記式(7)より、当該スリップアンモニア量を生成するのに必要な無効尿素量を算出する(ステップS10)。
そして、算出された無効尿素量は無効尿素量算出部19から劣化判定部35に向けて出力される。
劣化判定部35は、スリップ率Rsが第1閾値未満であると判定した場合、運転席付近に設置された正常ランプ36を点灯させて、SCR触媒8が正常であることを表示する(ステップS16)。
続いて、劣化判定部35は、判定回数Naをリセットして0(ゼロ)とし(ステップS18)、再び、ステップS4を実施する。
劣化判定部35は、判定回数Naが所定回数Nth以上であると判定した場合、運転席付近に設置された警告ランプ37を点滅又は点灯させて、SCR触媒8が劣化していることを表示する(ステップS24)。
一方、劣化判定部35は、判定回数Naが所定回数Nth未満であると判定した場合、再び、ステップS4を実施する。
上述したように、本実施形態に係る排ガス浄化装置2によれば、NOx量算出部15と、消費アンモニア量算出部30とを備えているため、実際にSCR触媒8にて消費された消費アンモニア量を算出することができる。さらに、有効尿素量算出部17を備えているため、消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を算出することができる。
また、NH3センサ11と、スリップアンモニア量算出部27とを備えているため、SCR触媒8をスリップしたスリップアンモニア量を算出することができる。さらに、無効尿素量算出部19を備えているため、スリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出することができる。
そして、劣化判定部35にて、有効尿素量と無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する無効尿素量の割合(即ち、消費アンモニア量とスリップアンモニア量とを加算した合計アンモニア量に対するスリップアンモニア量の割合)であるスリップ率を算出するとともに、スリップ率が第1閾値以上の場合にSCR触媒8が劣化していると判定するため、短時間でSCR触媒8の劣化を判定するこができる。
また、排ガス通路16に尿素水を噴射すると、尿素の一部が、SCR触媒8に到達する前に排ガス通路16内に堆積する場合がある。これにより、発生するアンモニア量が減少し、SCR触媒8に到達するアンモニア量が所望量よりも少なくなってしまう場合がある。かかる場合に、有効尿素量の代わりに排ガス通路16内に実際に供給された尿素量を用いてSCR触媒8の劣化判定を実施すると、SCR触媒8の劣化が進行していないにもかかわらず劣化していると判定してしまう場合がある。しかしながら、本発明では、SCR触媒8の劣化の判定に、実際にSCR触媒8で消費された有効尿素量を用いており、排ガス通路16中に実際に供給した尿素量を用いていない。したがって、精度良くSCR触媒8の劣化を判定することができる。
そして、NH3センサ11は、SCR触媒8と後段酸化触媒10との間に設けられているため、SCR触媒8をスリップしたスリップアンモニア量を正確に計測することができる。
さらに、NOx量算出部15は、エンジン1の直下流のNOx量からSCR触媒8の直下流のNOx量を減算して算出するため、正確なNOx量を取得することができる。
また、SCR触媒8が劣化していないこと示す正常ランプ36及びSCR触媒8の劣化を示す警告ランプ37を備えているため、運転者は、点検等の作業をすることなく、SCR触媒8の状態を検知することができる。
かかる場合には、劣化判定部35は、図5に示すように、総走行距離と尿素消費率に基づいてマップを作成して、尿素消費率が第2閾値よりも大きい場合、SCR触媒8が正常であると判定する。一方、尿素消費率が第2閾値以下である場合、SCR触媒8が劣化していると判定して、判定回数Naをカウントする。そして、判定回数Naが予め設定された所定回数Nth(例えば、4回)以上になったら、運転席付近に設置された警告ランプ37を点滅又は点灯させて、SCR触媒8が劣化していることを運転手に警告することとしてもよい。なお、第2閾値は、NOxの平均浄化率に基づいて設計等により決定される値である。
2 排ガス浄化装置
3 燃料噴射弁
4 前段酸化触媒
5 燃焼室
6 フィルタ
7 ターボチャージャ
7a タービン
7b コンプレッサ
8 SCR触媒
9 排気マニホールド
10 後段酸化触媒
11 NH3センサ
12 ECU
13 判定ユニット
14 上流側ケーシング
15 NOx量算出部
16 排ガス通路
17 有効尿素量算出部
18 SCR用ケーシング
19 無効尿素量算出部
20 噴射装置
21 制御弁
22 尿素水制御部
23 尿素水流量計
24 尿素水インジェクタ
25 尿素水供給用ポンプ
26 尿素水タンク
27 スリップアンモニア量算出部
28 温度センサ
29 ミキシングチャンバー
30 消費アンモニア量算出手段
35 劣化判定部
36 正常ランプ
37 警告ランプ
38 下流側ケーシング
46 NOxセンサ
Claims (10)
- 内燃機関の排ガス通路に設けられ、排ガスに含まれるNOxを還元する還元触媒と、
前記還元触媒で浄化されたNOx量を算出するNOx量算出手段と、
前記NOx量算出手段により算出されたNOx量の浄化に必要な消費アンモニア量を算出する消費アンモニア量算出手段と、
前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な有効尿素量を算出する有効尿素量算出手段と、
前記排ガス通路の前記還元触媒よりも下流を流れる排ガスに含まれるアンモニアの濃度をアンモニアセンサで計測し、スリップアンモニア量を算出するスリップアンモニア量算出手段と、
前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量の生成に必要な無効尿素量を算出する無効尿素量算出手段と、
前記有効尿素量算出手段により算出された有効尿素量と前記無効尿素量算出手段により算出された無効尿素量とを加算した合計尿素量に対する前記無効尿素量又は前記有効尿素量の割合を算出し、当該割合の値に基づいて、前記還元触媒の劣化を判定する劣化判定手段と、を備えることを特徴とする内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が第1閾値以上の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記無効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第1閾値以上となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項2に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が第2閾値以下の場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記劣化判定手段は、
前記合計尿素量に対する前記有効尿素量の割合の値が所定回数以上連続して前記第2閾値以下となる場合に前記還元触媒が劣化していると判定することを特徴とする請求項4に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記有効尿素量算出手段は、
前記消費アンモニア量算出手段により算出された消費アンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記有効尿素量とすることを特徴とする請求項1〜5のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記無効尿素量算出手段は、
前記スリップアンモニア量算出手段により算出されたスリップアンモニア量の生成に必要な尿素量を加水分解反応のモル比に応じて算出して前記無効尿素量とすることを特徴とする請求項1〜5のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。 - 前記スリップアンモニア量算出手段は、還元触媒よりも下流の前記排ガス通路に前記アンモニアセンサが設けられることを特徴とする請求項1〜7のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記NOx量算出手段は、前記内燃機関の直下流のNOx量から前記還元手段の直下流のNOx量を減算して前記還元触媒で浄化されたNOx量を算出することを特徴とする請求項1に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
- 前記劣化判定手段によって前記還元触媒が劣化していると判定された際に、運転者に対して警報を発する警告手段を更に備えることを特徴とする請求項1〜5のうち何れか一項に記載の内燃機関の排ガス浄化装置。
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