JP6436075B2 - Failure diagnosis device for exhaust purification system - Google Patents
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Description
本発明は、内燃機関の排気を浄化する排気浄化システムの故障診断装置に関する。 The present invention relates to a failure diagnosis device for an exhaust gas purification system that purifies exhaust gas from an internal combustion engine.
内燃機関の排気通路に、SCR触媒(選択還元型NOx触媒)がフィルタに担持された構成のSCRフィルタを設ける技術が知られている。ここで、SCR触媒は、アンモニアを還元剤として排気中のNOxを還元する機能を有する。また、フィルタは、排気中の粒子状物質(Particulate Matter:以下、「PM」と称する場合もある。)を捕集する機能を有する。このようなSCRフィルタを備えた内燃機関の排気浄化システムでは、排気通路に設けられたアンモニア供給装置により該SCRフィルタに還元剤たるアンモニアが供給される。 A technique is known in which an SCR filter having a configuration in which an SCR catalyst (selective reduction type NOx catalyst) is supported on a filter is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine. Here, the SCR catalyst has a function of reducing NOx in the exhaust gas using ammonia as a reducing agent. Further, the filter has a function of collecting particulate matter (Particulate Matter: hereinafter also referred to as “PM”) in the exhaust gas. In an exhaust gas purification system for an internal combustion engine having such an SCR filter, ammonia as a reducing agent is supplied to the SCR filter by an ammonia supply device provided in the exhaust passage.
また、特許文献1には、排気通路に設けられたSCR触媒を備えた排気浄化システムの故障診断装置に関する技術が開示されている。この特許文献1に記載の技術では、排気浄化システムが正常であるときの浄化特性と排気浄化システムが故障しているときの浄化特性との中間特性に基づいて、故障診断のための所定の閾値および補正係数が設定される。そして、設定された補正係数により、SCR触媒からのNOx流出量をパラメータとして算出されたNOx浄化率が補正される。この補正後のNOx浄化率と所定の閾値とを比較することで、排気浄化システムが故障しているか否かを診断する。 Patent Document 1 discloses a technique related to a failure diagnosis device for an exhaust purification system including an SCR catalyst provided in an exhaust passage. In the technique described in Patent Document 1, a predetermined threshold for failure diagnosis is based on an intermediate characteristic between a purification characteristic when the exhaust purification system is normal and a purification characteristic when the exhaust purification system is out of order. And a correction coefficient is set. The NOx purification rate calculated using the NOx outflow amount from the SCR catalyst as a parameter is corrected by the set correction coefficient. By comparing the corrected NOx purification rate with a predetermined threshold value, it is diagnosed whether or not the exhaust purification system has failed.
また、非特許文献1には、SCRフィルタにおけるPM堆積量が増加すると、該SCRフィルタに担持されたSCR触媒に吸着されているアンモニア量であるアンモニア吸着量が増加し易くなる傾向にあることが開示されている。 Further, in Non-Patent Document 1, when the PM accumulation amount in the SCR filter increases, the ammonia adsorption amount that is the amount of ammonia adsorbed on the SCR catalyst supported on the SCR filter tends to increase. It is disclosed.
SCRフィルタを備えた排気浄化システムが故障しているか否かを、該SCRフィルタにおけるNOx浄化率(SCRフィルタに流入するNOx量に対するSCRフィルタにおいて還元されるNOx量の割合)に基づいて診断する技術が知られている。ここで、上述した先行技術文献に開示されているように、SCRフィルタにおいては、PMの堆積状況の影響により、該SCRフィルタに担持されたSCR触媒でのアンモニア吸着量が変動する場合がある。SCR触媒でのアンモニア吸着量が変動すると、それに伴って、SCRフィルタにおけるNOx浄化率が変動することになる。そのため、SCRフィルタにおけるNOx浄化率を用いて排気浄化システムの故障診断を高精度で行うためには、該SCRフィルタにおけるPMの堆積状況の影響を考慮する必要がある。 A technique for diagnosing whether or not an exhaust purification system including an SCR filter has failed based on a NOx purification rate in the SCR filter (a ratio of a NOx amount reduced in the SCR filter to a NOx amount flowing into the SCR filter) It has been known. Here, as disclosed in the above-described prior art documents, in the SCR filter, the ammonia adsorption amount on the SCR catalyst supported on the SCR filter may fluctuate due to the influence of the PM deposition state. When the ammonia adsorption amount at the SCR catalyst varies, the NOx purification rate in the SCR filter varies accordingly. Therefore, in order to perform a failure diagnosis of the exhaust purification system with high accuracy using the NOx purification rate in the SCR filter, it is necessary to consider the influence of the PM accumulation state in the SCR filter.
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、SCRフィルタを備えた排気浄化システムが故障しているか否かを診断する際の診断精度を向上させることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to improve diagnosis accuracy when diagnosing whether or not an exhaust purification system including an SCR filter has failed.
SCRフィルタには、排気中のPMが捕集され、捕集されたPMが徐々に堆積する。このとき、SCRフィルタにおいては、先ず、隔壁内(すなわち、隔壁に形成された細孔内)にPMが堆積する。そして、隔壁内におけるPMの堆積量が上限値に達した後、隔壁の表面上にPMが堆積する。以下、SCRフィルタの隔壁内にPMが堆積することを「壁内PM堆積」と称し、壁内PM堆積が進行している期間を「壁内PM堆積期間」と称する場合もある。また、SCRフィルタの隔壁内におけるPMの堆積量を「壁内PM堆積量」と称する場合もある。また、SCRフィルタの隔壁の表面上にPMが堆積することを「表層PM堆積」と称し、表層PM堆積が進行している期間を「表層PM堆積期間」と称する場合もある。また、SCRフィルタの隔壁の表面上におけるPMの堆積量を「表層PM堆積量」と称する場合もある。 PM in the exhaust gas is collected on the SCR filter, and the collected PM gradually accumulates. At this time, in the SCR filter, first, PM is deposited in the partition walls (that is, in the pores formed in the partition walls). And PM accumulates on the surface of a partition, after the deposition amount of PM in a partition reaches an upper limit. Hereinafter, the deposition of PM in the partition wall of the SCR filter is sometimes referred to as “in-wall PM deposition”, and the period during which PM deposition in the wall is progressing may be referred to as “in-wall PM deposition period”. Further, the amount of PM deposited in the partition wall of the SCR filter may be referred to as “in-wall PM deposition amount”. Further, the deposition of PM on the surface of the partition wall of the SCR filter is sometimes referred to as “surface layer PM deposition”, and the period during which surface layer PM deposition is in progress may be referred to as “surface layer PM deposition period”. In addition, the amount of PM deposited on the surface of the partition wall of the SCR filter may be referred to as “surface layer PM deposition amount”.
上述したように、従来、SCRフィルタにおけるPM堆積量が増加すると、該SCRフィルタに担持されたSCR触媒でのアンモニア吸着量が増加し易くなる傾向にあると考えられていた。ただし、SCRフィルタにおけるPMの堆積状況と、SCR触媒でのアンモニア吸着量の増加傾向との詳細な相関関係については、これまで不明であった。しかしながら、本発明の発明者は、SCRフィルタにおける壁内PM堆積量が多いときは該壁内PM堆積量が少ないときに比べてSCR触媒でのアンモニア吸着量が増加し易くなるが、その一方で、SCRフィルタにおける表層PM堆積量の増減はSCR触媒でのアンモニア吸着量の増減に対してほとんど影響しない、といった傾向にあることを新たに見出した。ここで、壁内PM堆積量が多いときは該壁内PM堆積量が少ないときに比べてSCR触媒でのアンモニア吸着量が増加し易くなるのは、壁内PM堆積量が増加すると該SCR触媒におけるアンモニアの飽和吸着量が増加し、それに伴って、該SCR触媒から脱離するアンモニア量が減少するためだと考えられる。一方で、表層PM堆積量が変化しても、該SCR触媒におけるアンモニアの飽和吸着量はほとんど変化しないため、該SCR触媒から脱離するアンモニア量もほとんど変化しない。そのために、表層PM堆積量の増減はSCR触媒でのアンモニア吸着量の増減に対してほとんど影響しないと考えられる。本発明は、以上のような新たな知見を、SCRフィルタにおけるNOx浄化率を用いる排気浄化システムの故障診断に反映させたものである。 As described above, conventionally, it has been considered that when the amount of PM deposited on the SCR filter increases, the ammonia adsorption amount on the SCR catalyst supported on the SCR filter tends to increase. However, the detailed correlation between the PM accumulation state on the SCR filter and the increasing tendency of the ammonia adsorption amount on the SCR catalyst has been unknown so far. However, the inventor of the present invention tends to increase the ammonia adsorption amount on the SCR catalyst when the PM deposition amount in the wall in the SCR filter is large compared to when the PM deposition amount in the wall is small. It was newly found that the increase or decrease in the surface PM deposition amount in the SCR filter has a tendency to hardly affect the increase or decrease in the ammonia adsorption amount in the SCR catalyst. Here, when the amount of PM deposition in the wall is large, the amount of ammonia adsorbed on the SCR catalyst tends to increase more easily than when the amount of PM deposition in the wall is small. This is thought to be because the amount of ammonia adsorbed on the SCR catalyst increases and the amount of ammonia desorbed from the SCR catalyst decreases accordingly. On the other hand, even if the surface PM deposition amount changes, the saturated adsorption amount of ammonia in the SCR catalyst hardly changes, and therefore the ammonia amount desorbed from the SCR catalyst hardly changes. For this reason, the increase or decrease in the surface PM deposition amount is considered to have little effect on the increase or decrease in the ammonia adsorption amount on the SCR catalyst. The present invention reflects the above new knowledge in failure diagnosis of an exhaust purification system using the NOx purification rate in the SCR filter.
より詳細には、本発明に係る排気浄化システムの故障診断装置は、内燃機関の排気通路に設けられており、SCR触媒がフィルタに担持された構成のSCRフィルタであって、前記SCR触媒は、アンモニアを還元剤として排気中のNOxを還元する機能を有し、前記フィルタは、排気中の粒子状物質を捕集する機能を有するSCRフィルタと、前記SCRフィルタにアンモニアを供給するアンモニア供給装置と、を有する排気浄化システムが故障しているか否かを診断する排気浄化システムの故障診断装置において、前記SCRフィルタよりも下流側の排気通路に設けられたNOxセンサと、前記NOxセンサの検出値を用いて前記SCRフィルタにおけるNOx浄化率を算出するNOx浄化率算出部と、前記NOx浄化率算出部によって算出されたNOx浄化率と所定の判定浄化率とを比較することで前記排気浄化システムが故障しているか否かを判別する故障診断を実行する診断部と、を備え、前記SCRフィルタの上流と下流との間の排気圧力の差を前記SCRフィルタに流入する排気の流量が一定と仮定した場合の値に変換した変換値を差圧変換値とし、前記差圧変換値以外のパラメータに基づいて推定される前記SCRフィルタにおける粒子状物質の堆積量をフィルタPM堆積量としたときの、前記フィルタPM堆積量の単位増加量当たりの前記差圧変換値の増加量を差圧変化率とし、前記NOx浄化率算出部によるNOx浄化率の算出に用いられる前記NOxセンサの検出値が検出された時期をセンサ検出時期とし、前記診断部が、前記センサ検出時期における前記差圧変化率が所定の閾値以上のときは前記故障診断を実行せずに、該差圧変化率が該所定の閾値より小さいときに前記故障診断を実行する。 More specifically, the failure diagnosis device for an exhaust gas purification system according to the present invention is an SCR filter that is provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and has a SCR catalyst supported on a filter, An SCR filter having a function of reducing NOx in exhaust gas using ammonia as a reducing agent, the filter having a function of collecting particulate matter in the exhaust gas, and an ammonia supply device for supplying ammonia to the SCR filter; , A NOx sensor provided in an exhaust passage downstream of the SCR filter, and a detected value of the NOx sensor. And a NOx purification rate calculation unit that calculates a NOx purification rate in the SCR filter, and a NOx purification rate calculation unit. A diagnosis unit that performs a failure diagnosis to determine whether or not the exhaust purification system has failed by comparing the issued NOx purification rate with a predetermined determination purification rate, and upstream of the SCR filter Based on parameters other than the differential pressure conversion value, a conversion value obtained by converting the difference in the exhaust pressure with the downstream into a value when the flow rate of the exhaust gas flowing into the SCR filter is assumed to be constant is defined as a differential pressure conversion value. The increase amount of the differential pressure conversion value per unit increase amount of the filter PM deposition amount when the deposition amount of the particulate matter in the estimated SCR filter is the filter PM deposition amount is defined as the differential pressure change rate, The time when the detected value of the NOx sensor used for the calculation of the NOx purification rate by the NOx purification rate calculation unit is detected as a sensor detection time, and the diagnosis unit performs the sensor detection time at the sensor detection time. The pressure change rate does not execute the failure diagnosis when the predetermined threshold value or more, the difference pressure change rate to execute the failure diagnosis when less than the predetermined threshold.
本発明に係る排気浄化システムにおいては、アンモニア供給装置によってSCRフィルタに還元剤たるアンモニアが供給される。そして、供給されたアンモニアが、SCRフィルタに担持されたSCR触媒に吸着する。なお、アンモニア供給装置は、アンモニアを気体または液体として供給するものでもよく、また、アンモニアの前駆体を供給するものであってもよい。 In the exhaust purification system according to the present invention, ammonia as a reducing agent is supplied to the SCR filter by the ammonia supply device. Then, the supplied ammonia is adsorbed on the SCR catalyst supported on the SCR filter. The ammonia supply device may supply ammonia as a gas or liquid, or may supply an ammonia precursor.
また、SCRフィルタに担持されたSCR触媒の劣化等により該SCRフィルタのNOx浄化機能が低下すると、該SCRフィルタにおけるNOx浄化率が低下する。また、アンモニア供給装置に異常が生じることで、SCRフィルタに供給されるアンモニア量が所望の量よりも少なくなった場合も、該SCRフィルタにおけるNOx浄化率が低下する。そのため、本発明に係る排気浄化システムの故障には、SCRフィルタのNOx浄化機能の低下のみならず、アンモニア供給装置の異常も含まれる。 Further, when the NOx purification function of the SCR filter is lowered due to deterioration of the SCR catalyst carried on the SCR filter, the NOx purification rate in the SCR filter is lowered. Further, when the ammonia amount supplied to the SCR filter becomes smaller than a desired amount due to an abnormality in the ammonia supply device, the NOx purification rate in the SCR filter is lowered. Therefore, the failure of the exhaust purification system according to the present invention includes not only the deterioration of the NOx purification function of the SCR filter but also the abnormality of the ammonia supply device.
本発明においては、NOx浄化率算出部によって、SCRフィルタより下流側の排気通路に設けられたNOxセンサの検出値を用いてSCRフィルタにおけるNOx浄化率が算出される。そして、算出されたNOx浄化率と所定の判定浄化率とを比較することで排気浄化システムが故障しているか否かを判別する故障診断が診断部によって実行される。ここで、判定浄化率は、SCRフィルタにおけるNOx浄化率が該判定浄化率以下にまで低下した場合、排気浄化システムが故障していると判定すべき閾値として設定される値である。 In the present invention, the NOx purification rate calculation unit calculates the NOx purification rate in the SCR filter using the detected value of the NOx sensor provided in the exhaust passage downstream of the SCR filter. Then, the diagnosis unit executes a failure diagnosis for determining whether or not the exhaust purification system has failed by comparing the calculated NOx purification rate with a predetermined determination purification rate. Here, the determination purification rate is a value set as a threshold value to determine that the exhaust purification system is out of order when the NOx purification rate in the SCR filter falls below the determination purification rate.
上述した新たな知見によれば、SCRフィルタのNOx浄化機能自体は同一の状態であり、且つ、SCRフィルタに供給されるアンモニア量が同一であっても、SCRフィルタにおける壁内PM堆積量が異なると、SCR触媒でのアンモニア吸着量が異なる量となる場合がある。具体的には、SCRフィルタにおける壁内PM堆積量が多いほど、SCR触媒でのアンモニア吸着量が多くなる傾向にある。そして、SCR触媒でのアンモニア吸着量以外のNOx浄化率と相関のあるパラメータが同一であれば、SCR触媒でのアンモニア吸着量が多いほどSCRフィルタにおけるNOx浄化率が高くなる。 According to the new knowledge described above, the NOx purification function itself of the SCR filter is in the same state, and even if the ammonia amount supplied to the SCR filter is the same, the amount of PM deposition in the wall in the SCR filter is different. In some cases, the amount of ammonia adsorbed on the SCR catalyst is different. Specifically, the amount of ammonia adsorbed on the SCR catalyst tends to increase as the amount of PM deposition in the wall in the SCR filter increases. If the parameters correlated with the NOx purification rate other than the ammonia adsorption amount at the SCR catalyst are the same, the NOx purification rate at the SCR filter increases as the ammonia adsorption amount at the SCR catalyst increases.
そのため、SCRフィルタのNOx浄化機能自体は同一の状態であり、且つ、SCRフィルタに供給されるアンモニア量が同一であっても、すなわち、排気浄化システムの状態が同一であっても、SCRフィルタにおける壁内PM堆積量が変動する壁内PM堆積期間中においては、壁内PM堆積量が異なることに起因して、NOx浄化率算出部によって算出されるNOx浄化率が異なる値となる場合がある。 Therefore, the NOx purification function itself of the SCR filter is in the same state, and even if the amount of ammonia supplied to the SCR filter is the same, that is, the state of the exhaust purification system is the same, During the in-wall PM deposition period in which the in-wall PM deposition amount varies, the NOx purification rate calculated by the NOx purification rate calculation unit may be different due to the difference in the in-wall PM deposition amount. .
一方、表層PM堆積期間中は壁内PM堆積量が上限値で一定となっている。また、上述した新たな知見によれば、SCRフィルタにおける表層PM堆積量の増減はSCR触媒でのアンモニア吸着量の増減に対してほとんど影響しない。したがって、SCRフィルタにおける表層PM堆積量の増減は、SCRフィルタのNOx浄化率に対してほとんど影響しない。そのため、表層PM堆積期間中においては、排気浄化システムの状態が同一であり、NOx浄化率と相関のある他のパラメータが同一の値であれば、SCRフィルタにおけるPM堆積量に関わらず(表層PM堆積量に関わらず)、NOx浄化率算出部によって算出されるNOx浄化率は一定の値となる。 On the other hand, during the surface PM deposition period, the PM deposition amount in the wall is constant at the upper limit value. Moreover, according to the new knowledge mentioned above, the increase / decrease in the surface PM deposition amount in the SCR filter has little influence on the increase / decrease in the ammonia adsorption amount in the SCR catalyst. Therefore, the increase / decrease in the surface PM deposition amount in the SCR filter has little influence on the NOx purification rate of the SCR filter. Therefore, during the surface PM deposition period, if the state of the exhaust purification system is the same and other parameters correlated with the NOx purification rate have the same value, regardless of the PM deposition amount in the SCR filter (surface PM) Regardless of the accumulation amount, the NOx purification rate calculated by the NOx purification rate calculation unit is a constant value.
そこで、本発明では、センサ検出時期が、壁内PM堆積期間中であるのか、表層PM堆積期間中であるのかに応じて、NOx浄化率を用いた排気浄化システムの故障診断の実行可否が決定される。ここで、センサ検出時期は、SCRフィルタにおけるNOx浄化率の算出に用いられたNOxセンサの検出値が検出された時期である。 Therefore, in the present invention, whether or not to perform failure diagnosis of the exhaust purification system using the NOx purification rate is determined according to whether the sensor detection time is during the PM deposition period in the wall or during the surface PM deposition period. Is done. Here, the sensor detection time is the time when the detection value of the NOx sensor used for calculating the NOx purification rate in the SCR filter is detected.
具体的には、診断部が、センサ検出時期における差圧変化率が所定の閾値以上のときは故障診断を実行せずに、該差圧変化率が該所定の閾値より小さいときに故障診断を実行する。ここで、差圧変化率は、フィルタPM堆積量の単位増加量当たりの差圧変換値の増加量である。なお、フィルタPM堆積量は、差圧変換値以外のパラメータに基づいて推定される値である。このように定義される差圧変化率は、表層PM堆積期間中においては、壁内PM堆積期間中に比べて小さい値となる。そこで、本発明に係る所定の閾値は、壁内PM堆積期間中であるのか、表層PM堆積期間中であるのかを区別可能な値に定められている。 Specifically, when the differential pressure change rate at the sensor detection time is equal to or greater than a predetermined threshold, the diagnosis unit does not execute the fault diagnosis and performs the fault diagnosis when the differential pressure change rate is smaller than the predetermined threshold. Run. Here, the differential pressure change rate is an increase amount of the differential pressure conversion value per unit increase amount of the filter PM accumulation amount. The filter PM accumulation amount is a value estimated based on parameters other than the differential pressure conversion value. The differential pressure change rate defined in this way is a smaller value during the surface PM deposition period than during the in-wall PM deposition period. Therefore, the predetermined threshold value according to the present invention is set to a value that can distinguish whether it is during the in-wall PM deposition period or the surface layer PM deposition period.
なお、SCRフィルタにおけるPM堆積は、壁内PM堆積が上限値に達した後で表層PM堆積に推移するが、一方で、SCRフィルタにおけるPMの酸化は隔壁内および隔壁の表面上のいずれにおいても起こり得る。したがって、SCRフィルタにおけるPM堆積が一旦表層PM堆積に移行した後であっても、壁内PM堆積量が隔壁内のPMの酸化によって減少する場合がある。この場合、PMの堆積が再開すると、隔壁内にPMが再度堆積することになる(つまり、表層PM堆積から壁内PM堆積に移行する。)。そのため、SCRフィルタにPMが堆積し始めた時点からの経過時間や、フィルタPM堆積量(SCRフィルタ全体でのPM堆積量)のみに基づいて、壁内PM堆積期間中であるか表層PM堆積期間中であるかを正確に区別することは困難である。そのため、本発明では、壁内PM堆積期間中であるのか、表層PM堆積期間中であるのかを区別するためのパラメータとして差圧変化率が用いられる。 The PM deposition in the SCR filter changes to the surface layer PM deposition after the PM deposition in the wall reaches the upper limit value. On the other hand, the oxidation of PM in the SCR filter occurs both in the partition and on the surface of the partition. Can happen. Therefore, even after PM deposition on the SCR filter has once shifted to surface PM deposition, the amount of PM deposition in the wall may decrease due to oxidation of PM in the partition wall. In this case, when PM deposition is resumed, PM is deposited again in the partition walls (that is, transition from surface PM deposition to in-wall PM deposition). Therefore, whether the PM deposition period in the wall or the surface layer PM deposition period is based only on the elapsed time from the point when PM starts to deposit on the SCR filter, or only on the filter PM deposition amount (PM deposition amount on the entire SCR filter). It is difficult to distinguish exactly what is inside. Therefore, in the present invention, the differential pressure change rate is used as a parameter for distinguishing between the in-wall PM deposition period and the surface layer PM deposition period.
排気浄化システムの故障診断の実行可否が上記のように決定されることで、該故障診断が、センサ検出時期が壁内PM堆積期間中のときは実行されず、センサ検出時期が表層PM堆積期間中のときに実行されることになる。したがって、本発明によれば、SCRフィルタを備えた排気浄化システムの故障診断の診断精度を向上させることができる。 By determining whether or not the failure diagnosis of the exhaust purification system can be performed as described above, the failure diagnosis is not performed when the sensor detection time is in the in-wall PM deposition period, and the sensor detection time is not in the surface PM deposition period. It will be executed when inside. Therefore, according to the present invention, it is possible to improve the diagnostic accuracy of the fault diagnosis of the exhaust purification system provided with the SCR filter.
本発明によれば、SCRフィルタを備えた排気浄化システムが故障しているか否かを診断する際の診断精度を向上させることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the diagnostic accuracy at the time of diagnosing whether the exhaust gas purification system provided with the SCR filter has failed can be improved.
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。本実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置等は、特に記載がない限りは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。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The dimensions, materials, shapes, relative arrangements, and the like of the components described in the present embodiment are not intended to limit the technical scope of the invention to those unless otherwise specified.
<実施例1>
図1は、本実施例に係る内燃機関とその吸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、軽油を燃料とする圧縮着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)である。ただし、本発明は、ガソリン等を燃料とする火花点火式の内燃機関にも適用することができる。
<Example 1>
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of an internal combustion engine and its intake / exhaust system according to the present embodiment. An internal combustion engine 1 shown in FIG. 1 is a compression ignition type internal combustion engine (diesel engine) using light oil as fuel. However, the present invention can also be applied to a spark ignition type internal combustion engine using gasoline or the like as fuel.
内燃機関1は、気筒2内へ燃料を噴射する燃料噴射弁3を備えている。なお、内燃機関1が火花点火式の内燃機関である場合は、燃料噴射弁3は、吸気ポートへ燃料を噴射するように構成されてもよい。
The internal combustion engine 1 includes a fuel injection valve 3 that injects fuel into the
内燃機関1は吸気通路4と接続されている。吸気通路4には、エアフローメータ40およびスロットル弁41が設けられている。エアフローメータ40は、吸気通路4内を流れる吸気(空気)の量(質量)に応じた電気信号を出力する。スロットル弁41は、吸気通路4におけるエアフローメータ40よりも下流側に配置されている。スロットル弁41は、吸気通路4内の通路断面積を変更することで、内燃機関1の吸入空気量を調整する。
The internal combustion engine 1 is connected to the intake passage 4. An
内燃機関1は排気通路5と接続されている。排気通路5には、酸化触媒50、SCRフィルタ51、燃料添加弁52、および尿素水添加弁53が設けられている。SCRフィルタ51は、多孔質の基材により形成されたウォールフロー型のフィルタに、SCR触媒51aが担持されて構成されている。フィルタは、排気中のPMを捕集する機能を有する。SCR触媒51aは、アンモニアを還元剤として排気中のNOxを還元する機能を有する。そのため、SCRフィルタ51は、PM捕集機能およびNOx浄化機能を有している。酸化触媒50は、SCRフィルタ51よりも上流側の排気通路5に設けられている。燃料添加弁52は、酸化触媒50よりもさらに上流側の排気通路5に設けられている。燃料添加弁52は、排気通路5内を流れる排気中に燃料を添加する。尿素水添加弁53は、酸化触媒50よりも下流側且つSCRフィルタ51よりも上流側の排気通路5に設けられている。尿素水添加弁53は、排気通路5内を流れる排気中に尿素水を添加する。尿素水添加弁53から排気中に尿素水が添加されると、該尿素水がSCRフィルタ51に供給される。つまり、SCRフィルタ51に、アンモニアの前駆体である尿素が供給される。SCRフィルタ51においては、供給された尿素が加水分解されることで生成されたアンモニアがSCR触媒51aに吸着する。そして、このSCR触媒51aに吸着したアンモニアを還元剤として、排気中のNOxが還元される。なお、尿素水添加弁53に代えて、アンモニアガスを排気中に添加するアンモニア添加弁を設けてもよい。
The internal combustion engine 1 is connected to the exhaust passage 5. The exhaust passage 5 is provided with an
酸化触媒50よりも下流側且つ尿素水添加弁53よりも上流側の排気通路5には、O2センサ54、上流側温度センサ55および上流側NOxセンサ57が設けられている。SCRフィルタ51より下流側の排気通路5には下流側温度センサ56および下流側NOxセンサ58が設けられている。O2センサ54は排気のO2濃度に応じた電気信号を出力する。上流側温度センサ55および下流側温度センサ56は排気の温度に応じた電気信号を出力する。上流側NOxセンサ57および下流側NOxセンサ58は排気のNOx濃度に応じた電気信号を出力する。また、排気通路5には、差圧センサ59が設けられている。差圧センサ59は、SCRフィルタ51の上流と下流との間の排気圧力の差(以下、「フィルタ差圧」と称する場合もある。)に応じた電気信号を出力する。
In the exhaust passage 5 downstream of the
そして、内燃機関1には電子制御ユニット(ECU)10が併設されている。ECU10は、内燃機関1の運転状態等を制御するユニットである。ECU10には、上記のエアフローメータ40、O2センサ54、上流側温度センサ55、上流側NOxセンサ57、下流側温度センサ56、下流側NOxセンサ58、および差圧センサ59に加え、アクセルポジションセンサ7およびクランクポジションセンサ8等の各種センサが電気的に接続されている。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の操作量(アクセル開度)に対応した電気信号を出力するセンサである。クランクポジションセンサ8は
、内燃機関1の機関出力軸(クランクシャフト)の回転位置に対応した電気信号を出力するセンサである。そして、これらのセンサの出力信号がECU10に入力される。ECU10は、下流側温度センサ56の出力値に基づいてSCRフィルタ51の温度(以下、「フィルタ温度」と称する場合もある。)を推定する。また、ECU10は、エアフローメータ40の出力値に基づいて、SCRフィルタ51に流入する排気の流量(以下、単に「排気流量」と称する場合もある。)を推定する。
The internal combustion engine 1 is also provided with an electronic control unit (ECU) 10. The
また、ECU10には、上記の燃料噴射弁3、スロットル弁41、燃料添加弁52、および尿素水添加弁53等の各種機器が電気的に接続されている。ECU10は、上記のような各センサの出力信号に基づいて、上記の各種機器を制御する。例えば、ECU10は、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量を所定の目標吸着量に維持または調整すべく、尿素水添加弁53からの尿素水添加量を制御する。なお、所定の目標吸着量は、SCRフィルタ51において所望のNOx浄化率を確保でき、且つ、SCRフィルタ51からのアンモニアの流出量を許容範囲内に抑制することができる値として実験等に基づき予め定められた値である。
The
また、ECU10は、後述する方法により推定されるSCRフィルタ51におけるPM堆積量(以下、「フィルタPM堆積量」と称する場合もある。)が所定堆積量に達したときに、燃料添加弁52から燃料を添加することでフィルタ再生処理を実行する。フィルタ再生処理では、燃料添加弁52から添加された燃料が酸化触媒50において酸化されることで生じる酸化熱によって、SCRフィルタ51が昇温される。その結果、SCRフィルタ51に堆積したPMが燃焼し除去される。
Further, the
(フィルタPM堆積量の推定)
本実施例においては、ECU10によってフィルタPM堆積量が所定の演算周期で繰り返し算出される。図2は、ECU10におけるPM堆積量算出部の機能を示すブロック図である。PM堆積量算出部110は、フィルタPM堆積量を算出するための機能部であり、ECU10において所定のプログラムが実行されることによって実現される。なお、本実施例に係るPM堆積量算出部110は、後述する、差圧センサ59によって検出されるフィルタ差圧を排気流量が一定と仮定した場合の値に変換した変換値である差圧変換値を用いることなくフィルタPM堆積量を算出する。また、本実施例に係るPM堆積量算出部110においては、SCRフィルタ51のPM捕集機能が正常な状態であると仮定して、フィルタPM堆積量が算出される。
(Estimation of filter PM accumulation)
In this embodiment, the
PM堆積量算出部110においては、SCRフィルタ51によって捕集されるPM量であるPM捕集量と、SCRフィルタ51において酸化されるPMの量であるPM酸化量とを積算することで、現在のフィルタPM堆積量が算出される。詳細には、PM堆積量算出部110は、PM捕集量算出部111とPM酸化量算出部112とを有する。PM捕集量算出部111は、フィルタPM堆積量の演算周期に応じた第1所定期間中にSCRフィルタ51によって捕集されるPM量をPM捕集量として算出する。PM酸化量算出部112は、第1所定期間中にSCRフィルタ51において酸化されるPMの量をPM酸化量として算出する。
The PM accumulation
PM捕集量算出部111には、第1所定期間中に内燃機関1から排出されるPM量(以下、単に「PM排出量」と称する場合もある。)が入力される。PM排出量は内燃機関1の運転状態に基づいて推定することができる。PM捕集量算出部111では、入力されたPM排出量に対して所定のPM捕集率(SCRフィルタ51に流入するPM量に対するSCRフィルタ51に捕集されるPM量の割合)が乗算されることで、PM捕集量が算出される。なお、所定のPM捕集率は、排気流量に基づいて推定される値であってもよい。
The PM collection
一方、PM酸化量算出部112には、フィルタ温度、SCRフィルタ51に流入する排気のO2濃度(以下、「流入O2濃度」と称する場合もある。)、および、SCRフィルタ51に流入する排気のNO2濃度(以下、「流入NO2濃度」と称する場合もある。)が入力される。フィルタ温度は下流側温度センサ56の出力値に基づいて推定することができる。流入O2濃度はO2センサ54によって検出される。なお、流入O2濃度は、排気の空燃比や内燃機関1の運転状態等に基づいて推定することもできる。流入NO2濃度は、エアフローメータ40の出力値、上流側温度センサ55の出力値、および、上流側NOxセンサ57の出力値等に基づいて推定することができる。より詳細には、上流側NOxセンサ57の出力値および排気流量に基づいて、排気中のNOx量を推定することができる。また、上流側温度センサ55の出力値に基づいて推定される酸化触媒50の温度、および、排気流量に基づいて、排気中におけるNOx量のうちのNO2量の割合を推定することができる。そして、これら排気中のNOx量、および、排気中におけるNOx量のうちのNO2量の割合の推定値等に基づいて、流入NO2濃度を推定することができる。さらに、PM酸化量算出部112には、前回の演算で算出されたフィルタPM堆積量(以下、「堆積量前回値」と称する場合もある。)が入力される。そして、PM酸化量算出部112においては、入力された、フィルタ温度、流入O2濃度、流入NO2濃度、および、堆積量前回値に基づいて、PM酸化量が算出される。
On the other hand, the PM oxidation
そして、PM堆積量算出部110においては、堆積量前回値に対し、増加分であるPM捕集量を加算するとともに、減少分であるPM酸化量を減算することで、今回のフィルタPM堆積量(現在のフィルタPM堆積量)が算出される。算出された今回のフィルタPM堆積量が、次回の演算の際に堆積量前回値として用いられる。
Then, the PM accumulation
なお、本発明に係るフィルタPM堆積量の算出方法は、上記のような方法に限られるものではない。本発明に係るフィルタPM堆積量としては、後述する差圧変換値以外のパラメータを用いた算出方法であれば、公知のどのような方法を採用してもよい。 Note that the method for calculating the filter PM accumulation amount according to the present invention is not limited to the above method. As the filter PM accumulation amount according to the present invention, any known method may be adopted as long as it is a calculation method using parameters other than the differential pressure conversion value described later.
(アンモニア吸着量の推定)
また、本実施例においては、ECU10によって、SCR触媒51aに吸着しているアンモニア量であるアンモニア吸着量が所定の演算周期で繰り返し算出される。図3は、ECU10における吸着量算出部の機能を示すブロック図である。吸着量算出部120は、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量を算出するための機能部であり、ECU10において所定のプログラムが実行されることによって実現される。なお、本実施例に係る吸着量算出部120においては、SCRフィルタ51のNOx浄化機能が正常な状態であると仮定してアンモニア吸着量が算出される。また、本実施例に係る吸着量算出部120においては、SCRフィルタ51にPMが堆積していないと仮定してアンモニア吸着量が算出される(つまり、吸着量算出部120により算出されるアンモニア吸着量の値は、後述するようなSCRフィルタ51におけるPM堆積状況によるSCR触媒51aでのアンモニア吸着量への影響が考慮されていない値である。)。
(Estimation of ammonia adsorption amount)
In the present embodiment, the
吸着量算出部120においては、SCRフィルタ51に供給されるアンモニア量であるアンモニア供給量と、SCR触媒51aにおけるNOxの還元に消費されるアンモニア量であるアンモニア消費量と、SCR触媒51aから脱離するアンモニア量であるアンモニア脱離量とを積算することで現在のアンモニア吸着量が算出される。詳細には、吸着量算出部120は、消費量算出部121と脱離量算出部122とを有する。消費量算出部121は、アンモニア吸着量の演算周期に応じた第2所定期間中にSCR触媒51aにおけるNOxの還元に消費されるアンモニア量をアンモニア消費量として算出する。脱離量算出部122は、第2所定期間中にSCR触媒から脱離するアンモニア量をアンモニア脱離量として算出する。また、吸着量算出部120では、第2所定期間中にSCRフィルタ51に供給されるアンモニア量がアンモニア供給量として推定される。上述したように、SC
Rフィルタ51に供給されるアンモニアは、尿素水添加弁53から添加された尿素水に含まれる尿素が加水分解することで生成されたものである。そのため、アンモニア供給量は、第2所定期間中に尿素水添加弁53から添加された尿素水量に基づいて推定することができる。
In the adsorption
Ammonia supplied to the
消費量算出部121には、SCRフィルタ51に流入する排気のNOx濃度(以下、「流入NOx濃度」と称する場合もある。)、排気流量、フィルタ温度、および、前回の演算で算出されたSCR触媒51aでのアンモニア吸着量(以下、「吸着量前回値」と称する場合もある。)が入力される。流入NOx濃度は上流側NOxセンサ57によって検出される。ここで、SCR触媒51aでのNOx浄化率は、排気流量、フィルタ温度、および、該SCR触媒51aでのアンモニア吸着量と相関がある。そこで、消費量算出部121では、入力された、排気流量、フィルタ温度、および、吸着量前回値に基づいて、現時点においてSCR触媒51aにおいて発揮されると推定されるNOx浄化率(以下、「推定NOx浄化率」と称する場合もある。)が算出される。さらに、消費量算出部121では、入力された、流入NOx濃度と、排気流量と、に基づいて、第2所定期間中にSCRフィルタ51に流入するNOx量(以下、「流入NOx量」と称する場合もある。)が算出される。そして、算出された推定NOx浄化率および流入NOx量に基づいて、アンモニア消費量が算出される。
The consumption
一方、脱離量算出部122には、フィルタ温度、および、吸着量前回値が入力される。SCR触媒51aでのアンモニア吸着量が同一であれば、フィルタ温度が高いほどアンモニア脱離量が多くなる。また、フィルタ温度が同一であれば、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量が多いほどアンモニア脱離量が多くなる。脱離量算出部122では、これらの相関関係を踏まえて、入力された、フィルタ温度と、吸着量前回値とに基づいて、アンモニア脱離量が算出される。
On the other hand, the desorption
そして、吸着量算出部120においては、吸着量前回値に対し、増加分であるアンモニア供給量を加算するとともに、減少分であるアンモニア消費量およびアンモニア脱離量を減算することで、今回のSCR触媒51aでのアンモニア吸着量が算出される。
Then, the adsorption
(PM堆積状況とアンモニア吸着量との関係)
ここで、SCRフィルタ51におけるPM堆積状況とSCR触媒51aでのアンモニア吸着量との関係について説明する。上述したように、本発明の発明者は、SCRフィルタにおけるPMの堆積状況と、SCR触媒でのアンモニア吸着量の増加傾向との相関関係について新たな知見を見出した。この知見によれば、フィルタ温度およびSCR触媒51aでのアンモニア吸着量が同一であっても、SCRフィルタ51の隔壁内のPM堆積量(壁内PM堆積量)が多いときは、該壁内PM堆積量が少ないときに比べて、アンモニア脱離量が少なくなる。その結果、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量の増加量に係る他のパラメータの値が同一であっても、壁内PM堆積量が多いときは壁内PM堆積量が少ないときに比べてSCR触媒51aでのアンモニア吸着量が増加し易くなる。また、SCRフィルタ51における壁内PM堆積量が上限値に達しており、該SCRフィルタ51におけるPM堆積が壁内PM堆積から表層PM堆積に移行した後においては、フィルタ温度およびSCR触媒51aでのアンモニア吸着量が同一であれば、フィルタPM堆積量(すなわち、表層PM堆積量)が変化してもアンモニア脱離量はほとんど変化しない。そのため、表層PM堆積量の増減はSCR触媒51aでのアンモニア吸着量の増減に対してほとんど影響しない。
(Relationship between PM deposition status and ammonia adsorption amount)
Here, the relationship between the PM accumulation state in the
このような、SCRフィルタ51におけるPMの堆積状況に対するSCR触媒51aでのアンモニア吸着量の変動傾向は、SCRフィルタ51におけるPMの堆積状況と、SCR触媒51aにおけるアンモニアの飽和吸着量(SCR触媒51aに吸着可能なアンモニ
ア量の上限値である。以下、単に「飽和吸着量」と称する場合もある。)との相関関係に起因していると考えられる。図4は、SCRフィルタ51におけるPMの堆積状況がSCR触媒51aの飽和吸着量に与える影響について説明するための図である。図4において、横軸はフィルタ温度を表しており、縦軸はSCR触媒51aの飽和吸着量を表している。そして、図4において、線L1は、SCRフィルタ51にPMが堆積していない状態のときのフィルタ温度と飽和吸着量との相関を示している。一方、図4において、線L2は、SCRフィルタ51にPMが堆積している状態のときのフィルタ温度と飽和吸着量との相関を示している。フィルタ温度が高いほど(すなわち、SCR触媒51aの温度が高いほど)、SCR触媒51aからアンモニアが脱離し易くなる。そのため、SCR触媒51aの飽和吸着量はフィルタ温度が高いほど少なくなる。換言すれば、フィルタ温度が低いほどSCR触媒51aの飽和吸着量は多くなる。このとき、図4に示すように、フィルタ温度が同一であれば、SCRフィルタ51にPMが堆積している状態のときは、SCRフィルタ51にPMが堆積していない状態のときに比べて、SCR触媒51aの飽和吸着量は多くなる。
The fluctuation tendency of the ammonia adsorption amount in the
ここで、SCRフィルタ51におけるPMの堆積状況とSCR触媒51aの飽和吸着量とのより詳細な相関関係について図5に基づいて説明する。図5は、想定される、SCRフィルタ51におけるPMの堆積状況と、SCR触媒51aの飽和吸着量との相関を示す図である。図5において、横軸はフィルタPM堆積量を表しており、縦軸はSCR触媒51aの飽和吸着量を表している。なお、図5は、フィルタ温度が一定の下でのSCR触媒51aの飽和吸着量の推移を示している。
Here, a more detailed correlation between the PM accumulation state in the
図5に示すように、SCRフィルタ51にPMが堆積する際には、先ず、隔壁内(すなわち、隔壁に形成された細孔内)にPMが堆積する。そして、壁内PM堆積量が上限値に達した後、隔壁の表面上にPMが堆積する。つまり、壁内PM堆積量が上限値に達してから、SCRフィルタ51におけるPM堆積が壁内PM堆積から表層PM堆積に移行する。このとき、図5に示すように、壁内PM堆積期間中は、フィルタPM堆積量(すなわち、壁内PM堆積量)の増加に応じて、SCR触媒51aの飽和吸着量が増加する。一方で、表層PM堆積期間中は、フィルタPM堆積量(すなわち、表層PM堆積量)が増加しても、SCR触媒51aの飽和吸着量は増加しない。ただし、表層PM堆積期間中は、壁内PM堆積量は上限値となっている。そのため、表層PM堆積期間中は、SCR触媒51aの飽和吸着量は、壁内PM堆積量が上限値に達しているときの量で一定となる。つまり、図4に示すような、SCRフィルタ51にPMが堆積している状態のときと、SCRフィルタ51にPMが堆積していない状態のときとの、SCR触媒51aの飽和吸着量の差異は、壁内PM堆積に起因して生じるものと考えられる。
As shown in FIG. 5, when PM is deposited on the
そして、SCR触媒51aの飽和吸着量が多くなると、該SCR触媒51aからアンモニアが脱離し難くなる。そのため、アンモニア脱離量と相関のある他のパラメータであるフィルタ温度およびSCR触媒51aにおけるアンモニア吸着量が同一の状態であれば、壁内PM堆積量が多いときは壁内PM堆積量が少ないときに比べてアンモニア脱離量が少なくなる。したがって、壁内PM堆積量が変動する壁内PM堆積期間中においては、フィルタ温度およびSCR触媒51aにおけるアンモニア吸着量が同一の状態であっても、壁内PM堆積量に応じてアンモニア脱離量が異なる量となる。そのために、壁内PM堆積期間においては、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量の増加量に係る他のパラメータの値が同一であっても、壁内PM堆積量に応じてSCR触媒51aでのアンモニア吸着量が異なる量となる。
When the saturated adsorption amount of the
一方、上述したように、表層PM堆積期間中は、壁内PM堆積量は上限値で一定となるため、フィルタPM堆積量が増加しても(すなわち、表層PM堆積量の増加)SCR触媒51aの飽和吸着量は増加しない。したがって、表層PM堆積期間中においては、フィル
タ温度およびSCR触媒51aにおけるアンモニア吸着量が同一の状態であれば、表層PM堆積量が変化してもアンモニア脱離量は変化しない。そのために、表層PM堆積期間中においては、フィルタPM堆積量の増減はSCR触媒でのアンモニア吸着量の増減に対してほとんど影響しないと考えられる。
On the other hand, as described above, since the PM deposition amount in the wall is constant at the upper limit value during the surface PM deposition period, even if the filter PM deposition amount increases (that is, the surface PM deposition amount increases), the
(故障診断)
本実施例においては、SCR触媒51aの劣化等によりSCRフィルタ51のNOx浄化機能が低下すると、該SCRフィルタ51におけるNOx浄化率が低下する。また、尿素水添加弁53に異常が生じることで尿素水添加量が減少し、それによって、SCRフィルタ51に供給されるアンモニア量が所望の量よりも少なった場合も、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率が低下する。そこで、本実施例では、SCRフィルタ51のNOx浄化機能の低下および尿素水添加弁53の異常のいずれも、SCRフィルタ51および尿素水添加弁53を含んだ排気浄化システム60の故障として検出する。以下、本実施例に係る、排気浄化システム60の故障を検出するための故障診断について説明する。
(Failure diagnosis)
In this embodiment, when the NOx purification function of the
本実施例においては、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率に基づいて排気浄化システム60が故障しているか否かが判別される。より詳しくは、上流側NOxセンサ57の検出値(すなわち、流入NOx濃度)と、下流側NOxセンサ58の検出値(すなわち、流出NOx濃度)とに基づいてSCRフィルタ51におけるNOx浄化率が算出される。なお、流入NOx濃度は内燃機関1の運転状態に基づいて推定することもできる。そして、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率が所定の判定浄化率以下のときは排気浄化システム60が故障していると判定される。ここで、判定浄化率は、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率が該判定浄化率以下にまで低下した場合、排気浄化システム60が故障していると判定すべき閾値として設定される値である。
In this embodiment, it is determined whether or not the
ここで、上流側NOxセンサ57および下流側NOxセンサ58の検出値に基づいて算出されるSCRフィルタ51におけるNOx浄化率は、これらの検出値が検出された時期であるセンサ検出時期におけるSCR触媒51aでのアンモニア吸着量に応じて異なる値となる。つまり、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量が多いほど、該SCR触媒51aにおいて還元されるNOx量は多くなる。そのため、アンモニア吸着量以外のNOx浄化率と相関のあるパラメータが同一であれば、アンモニア吸着量が多いほどNOx浄化率が高くなる。そして、上述したように、壁内PM堆積期間においては、SCR触媒51aでのアンモニア吸着量の増加量に係る他のパラメータの値が同一であっても、壁内PM堆積量に応じてSCR触媒51aでのアンモニア吸着量が異なる量となる。そのために、SCRフィルタ51のNOx浄化機能自体は同一の状態であり、且つ、SCRフィルタ51に供給されるアンモニア量が同一であっても、すなわち、排気浄化システム60の状態が同一であっても、壁内PM堆積期間中においては、センサ検出時期の壁内PM堆積量が異なることに起因して、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率の算出値が異なる値となる場合がある。つまり、SCRフィルタ51のNOx浄化機能が同程度に低下しているとき、または、尿素水添加弁53の異常によりSCRフィルタ51へのアンモニア供給量が同程度に減少しているときであっても、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率の算出値が異なる値となる場合がある。したがって、センサ検出時期が壁内PM堆積期間中のときのNOx浄化率に基づいて排気浄化システム60の故障診断を実行すると、誤診断を招く虞がある。
Here, the NOx purification rate in the
一方、上述したように、表層PM堆積期間中においては、フィルタPM堆積量の増減はSCR触媒51aでのアンモニア吸着量の増減に対してほとんど影響しない。したがって、SCRフィルタ51における表層PM堆積量の増減は、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率に対してほとんど影響しない。そのため、表層PM堆積期間中においては、排気浄化システム60の状態が同一であり、NOx浄化率と相関のある他のパラメータの値
が同一であれば、SCRフィルタ51におけるPM堆積量に関わらず(表層PM堆積量に関わらず)、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率の算出値は一定の値となる。したがって、センサ検出時期が表層PM堆積期間中のときのNOx浄化率に基づいて排気浄化システム60の故障診断を実行することで、安定した診断結果を得ることができる。
On the other hand, as described above, during the surface PM deposition period, the increase or decrease in the filter PM deposition amount has little effect on the increase or decrease in the ammonia adsorption amount in the
そこで、本実施例では、排気浄化システム60の故障診断における誤診断を抑制するために、センサ検出時期が、壁内PM堆積期間中であるのか、表層PM堆積期間中であるのかに応じて、NOx浄化率を用いた排気浄化システムの故障診断の実行可否が決定される。つまり、センサ検出時期が壁内PM堆積期間中のときは排気浄化システム60の故障診断を実行せずに、センサ検出時期が表層PM堆積期間中のときに排気浄化システム60の故障診断を実行する。
Therefore, in this embodiment, in order to suppress misdiagnosis in the failure diagnosis of the
次に、本実施例に係る、壁内PM堆積期間中であるのか表層PM堆積期間中であるのかを区別する手法について図6に基づいて説明する。図6は、フィルタPM堆積量の増加に応じた差圧変換値の推移を示す図である。図6において、横軸はフィルタPM堆積量を表しており、縦軸は差圧変換値を表している。 Next, a method for distinguishing between the in-wall PM deposition period and the surface layer PM deposition period according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a diagram illustrating the transition of the differential pressure conversion value according to the increase in the amount of filter PM accumulation. In FIG. 6, the horizontal axis represents the filter PM accumulation amount, and the vertical axis represents the differential pressure conversion value.
ここで、差圧変換値は、差圧センサ59によって検出されるフィルタ差圧を排気流量が一定と仮定した場合の値に変換した変換値である。より詳細には、本実施例に係る差圧変換値は下記式1により表される。
Ap=dP/Qg ・・・式1
Ap:差圧変換値
dP:フィルタ差圧(差圧センサ59の検出値)
Qg:排気流量
Here, the differential pressure conversion value is a conversion value obtained by converting the filter differential pressure detected by the
Ap = dP / Qg Formula 1
Ap: differential pressure conversion value dP: filter differential pressure (detected value of differential pressure sensor 59)
Qg: Exhaust flow rate
また、フィルタPM堆積量の単位増加量当たりの差圧変換値の増加量(すなわち、図6における線の傾き)を差圧変化率と定義する。この差圧変化率は下記式2により表される。
Rp=dAp/dQpm ・・・式2
Rp:差圧変化率
dAp:第3所定期間中における差圧変換値の増加量
dQpm:第3所定期間中におけるフィルタPM堆積量の増加量
ここで、第3所定期間の長さは、差圧変化率を算出するために演算周期に基づいて予め定められている。また、dApおよびdQpmは、同一時期における第3所定期間中の差圧変換値の増加量およびフィルタPM堆積量の増加量である。
Further, the increase amount of the differential pressure conversion value per unit increase amount of the filter PM accumulation amount (that is, the slope of the line in FIG. 6) is defined as the differential pressure change rate. This differential pressure change rate is expressed by the
Rp = dAp /
Rp: differential pressure change rate dAp: increase amount of differential pressure conversion value during third predetermined period dQpm: increase amount of filter PM deposition amount during third predetermined period Here, the length of the third predetermined period is the differential pressure In order to calculate the rate of change, it is predetermined based on the calculation cycle. Further, dAp and dQpm are the increase amount of the differential pressure conversion value and the increase amount of the filter PM accumulation amount during the third predetermined period at the same time.
図6に示すように、フィルタPM堆積量が増加すると差圧変換値が大きくなる。ここで、SCRフィルタ51においては、隔壁内にPMが堆積したときの方が、隔壁の表面上にPMが堆積した場合に比べて、フィルタ差圧に対する影響が大きい。そのため、PM堆積量の増加量が同一であれば、壁内PM堆積量が増加したときの方が、表層PM堆積量が増加したときに比べて、差圧変換値の増加幅は大きい。したがって、図6に示すように、壁内PM堆積期間中は、表層PM堆積期間中に比べて差圧変化率が大きい。換言すれば、SCRフィルタ51におけるPM堆積が壁内PM堆積から表層PM堆積に移行すると差圧変化率が小さくなる。つまり、差圧変化率に基づいて、壁内PM堆積期間中であるのか表層PM堆積期間中であるのかを区別することができる。具体的には、差圧変化率が所定の閾値以上であれば、壁内PM堆積期間中であると判断できる。また、差圧変化率が所定の閾値より小さければ、表層PM堆積期間中であると判断できる。
As shown in FIG. 6, the differential pressure conversion value increases as the filter PM accumulation amount increases. Here, in the
なお、上述したように、SCRフィルタ51におけるPM堆積は壁内PM堆積から表層PM堆積の順に推移する。ただし、SCRフィルタ51におけるPMの酸化は隔壁内およ
び隔壁の表面上のいずれにおいても起こり得る。そのため、一旦表層PM堆積に移行した後であっても、壁内PM堆積量が酸化によって減少する場合がある。そして、SCRフィルタ51におけるPM堆積が再開される際には、先ず、隔壁内にPMが堆積することになる。このときは、隔壁の表面上にPMが残っている状態で、壁内PM堆積が進行する場合もある。したがって、SCRフィルタ51にPMが堆積し始めた時点からの経過時間(例えば、フィルタ再生処理が終了した時点からの経過時間)や、フィルタPM堆積量(SCRフィルタ51全体でのPM堆積量)のみに基づいて、壁内PM堆積期間中であるか表層PM堆積期間中であるかを正確に区別することは困難である。そのため、壁内PM堆積期間中であるか表層PM堆積期間中であるかを区別するパラメータとして差圧変化率を用いることで、これらをより高精度で区別することができる。
As described above, the PM deposition in the
(故障診断フロー)
以下、本実施例に係る排気浄化システムの故障診断のフローについて図7に基づいて説明する。図7は、本実施例に係る排気浄化システムの故障診断のフローを示すフローチャートである。本フローにしたがって、ECU10によって、排気浄化システム60の故障診断が、内燃機関1の運転中に実行される。
(Failure diagnosis flow)
Hereinafter, the failure diagnosis flow of the exhaust purification system according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 7 is a flowchart showing a flow of failure diagnosis of the exhaust purification system according to the present embodiment. In accordance with this flow, the
本フローでは、先ずS101において、排気浄化システム60の故障診断の実行条件が成立したか否かが判別される。排気浄化システム60の故障診断の実行条件は予め定められている。この実行条件は、排気浄化システム60が正常な状態のときのSCRフィルタ51におけるNOx浄化率と、排気浄化システム60が故障しているときのSCRフィルタ51におけるNOx浄化率との差がある程度明確に表れる条件として設定されている。具体的には、この実行条件としては、内燃機関1の運転状態が定常状態であること、上流側NOxセンサ57および下流側NOxセンサ58が正常であること、排気流量が所定範囲内であること、流入NOx濃度が所定範囲内であること、フィルタ温度が所定範囲内であること、および、吸着量算出部120によって算出されるSCR触媒51aでのアンモニア吸着量が所定範囲内であること等を例示することができる。
In this flow, first, in S101, it is determined whether or not an execution condition for failure diagnosis of the
なお、上流側NOxセンサ57および下流側NOxセンサ58が正常であるか否かの診断は、本フローとは異なるフローにしたがってECU10によって行われており、その診断結果がECU10に記憶されている。また、上述したように、吸着量算出部120によって算出されたSCR触媒51aでのアンモニア吸着量(以下、この算出値を「基準吸着量」と称する場合もある。)は、SCRフィルタ51におけるPM堆積状況によるSCR触媒51aでのアンモニア吸着量への影響が考慮されていない値である。そのため、この基準吸着量は、実際のSCR触媒51aでのアンモニア吸着量とはずれている可能性もある。ただし、基準吸着量と実際のアンモニア吸着量とにはある程度の相関がある。そして、排気浄化システム60の故障診断の実行条件が成立したか否かの判別に際しては、SCR触媒51aに排気浄化システム60の故障診断が可能な程度の量のアンモニアが吸着しているか否かが判別できればよい。つまり、排気浄化システム60の故障診断の実行条件が成立したか否かの判別に、必ずしも、正確なSCR触媒51aでのアンモニア吸着量を用いる必要はない。そこで、S101において、排気浄化システム60の故障診断の実行可否を決めるためのパラメータの一つとして基準吸着量を用いることができる。また、上述したように、SCRフィルタ51におけるアンモニア吸着量は、排気流量およびフィルタ温度の影響を受ける。そのため、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率に基づいて排気浄化システム60の故障診断を行う際には、排気流量およびフィルタ温度がいずれも所定範囲内であることが好ましい。
The diagnosis as to whether or not the
S101において否定判定された場合、本フローの実行が一旦終了される。一方、S101において肯定判定された場合、次にS102の処理が実行される。S102においては判定浄化率Rnoxthが算出される。ここで、判定浄化率Rnoxthは、SCRフ
ィルタ51における壁内PM堆積量が上限値に達していると仮定した場合の判定浄化率として算出される。つまり、判定浄化率Rnoxthは、壁内PM堆積量が上限値に達している状態のSCRフィルタ51におけるNOx浄化率が該判定浄化率Rnoxth以下にまで低下した場合、排気浄化システム60が故障していると判定すべき閾値である。
If a negative determination is made in S101, the execution of this flow is temporarily terminated. On the other hand, when a positive determination is made in S101, the process of S102 is executed next. In S102, a determination purification rate Rnoxth is calculated. Here, the determination purification rate Rnoxth is calculated as a determination purification rate when it is assumed that the amount of PM deposition in the wall in the
なお、判定浄化率Rnoxthは、吸着量算出部120によって算出される基準吸着量に基づいて算出される。ただし、基準吸着量は、SCRフィルタ51にPMが堆積しないと仮定して算出される値である。そのため、SCRフィルタ51における壁内PM堆積量が上限値に達しているときのSCR触媒51aにおけるアンモニア吸着量は基準吸着量よりも多くなる。したがって、壁内PM堆積量が上限値に達しているときのSCRフィルタ51におけるNOx浄化率は、SCR触媒51aにおけるアンモニア吸着量が基準吸着量であるときのSCRフィルタ51におけるNOx浄化率よりも高くなる。そこで、本実施例では、以上のような、壁内PM堆積量が上限値に達しているときのSCRフィルタ51におけるNOx浄化率と基準吸着量との相関(具体的には、壁内PM堆積量が上限値に達しているときのNOx浄化率と、SCRフィルタ51にPMが堆積しないときのNOx浄化率との差)を踏まえて予め定められた基準吸着量と判定浄化率Rnoxthとの相関がECU10にマップまたは関数として記憶されている。S102では、このマップまたは関数を用いて判定浄化率Rnoxthが算出される。
The determination purification rate Rnoxth is calculated based on the reference adsorption amount calculated by the adsorption
次に、S103において、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率Rnoxが算出される。ここでは、上述したように、上流側NOxセンサ57の検出値である流入NOx濃度および下流側NOxセンサ58の検出値である流出NOx濃度に基づいて、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率Rnoxが算出される。
Next, in S103, the NOx purification rate Rnox in the
次に、S104において、上記式2を用いて、センサ検出時期における差圧変化率Rpが算出される。ここでのセンサ検出時期は、S103におけるNOx浄化率Rnoxの算出に用いられた上流側NOxセンサ57および下流側NOxセンサ58の検出値が検出された時期である。次に、S105において、S104で算出された差圧変化率Rpが所定の閾値Rpthより小さいか否かが判別される。ここで、所定の閾値Rpthは、センサ検出時期が壁内PM堆積期間中であるか表層PM堆積期間中であるかを区別するための閾値である。この所定の閾値Rpthは、実験等に基づいて予め定められており、ECU10に記憶されている。
Next, in S104, the differential pressure change rate Rp at the sensor detection time is calculated using the
S105において肯定判定された場合、センサ検出時期が表層PM堆積期間中であると判断できる。そのため、この場合は、排気浄化システム60の故障診断が実行される。そこで、S105において肯定判定された場合、次にS106において、S103で算出されたSCRフィルタ51におけるNOx浄化率Rnoxが、S102で算出された判定浄化率Rnoxthより大きいか否かが判別される。S106において肯定判定された場合、次にS107において、排気浄化システム60は正常であると判定される。一方、S106において否定判定された場合、すなわち、SCRフィルタ51におけるNOx浄化率Rnoxが判定浄化率Rnoxth以下の場合、次にS108において、排気浄化システム60が故障していると判定される。S107において排気浄化システム60は正常であると判定された後、または、S108において排気浄化システム60が故障していると判定された後、本フローの実行が終了される。
When an affirmative determination is made in S105, it can be determined that the sensor detection time is during the surface PM deposition period. Therefore, in this case, failure diagnosis of the
一方、S105において否定判定された場合、センサ検出時期が壁内PM堆積期間中であると判断できる。そのため、この場合は、本フローの実行が一旦終了される。つまり、S105において否定判定された場合、排気浄化システム60の故障診断は実行されない。
On the other hand, if a negative determination is made in S105, it can be determined that the sensor detection time is during the in-wall PM accumulation period. Therefore, in this case, the execution of this flow is temporarily terminated. That is, if a negative determination is made in S105, failure diagnosis of the
上記の故障診断フローによれば、センサ検出時期の壁内PM堆積量が異なることに起因してNOx浄化率の算出値が異なる値となる可能性がある、センサ検出時期が壁内PM堆積期間中のときは、排気浄化システム60の故障診断が実行されない。そして、安定した診断結果を得ることができる、センサ検出時期が表層PM堆積期間中のときに、排気浄化システム60の故障診断が実行される。そのため、排気浄化システム60の故障診断の診断精度を向上させることができる。
According to the above fault diagnosis flow, the calculated value of the NOx purification rate may be different due to the difference in the PM accumulation amount in the wall at the sensor detection time. When it is in the middle, failure diagnosis of the
本実施例においては、SCRフィルタ51が本発明に係る「SCRフィルタ」に相当し、尿素水添加弁53が本発明に係る「アンモニア供給装置」に相当する。また、本実施例においては、下流側NOxセンサ58が本発明に係る「NOxセンサ」に相当する。また、本実施例においては、ECU10が、図7に示す故障診断フローにおけるS105からS108の処理を実行することにより、本発明に係る「診断部」が実現される。
In this embodiment, the
1・・・内燃機関
4・・・吸気通路
5・・・排気通路
50・・酸化触媒
51・・SCRフィルタ
51a・・SCR触媒
53・・尿素水添加弁
57・・上流側NOxセンサ
58・・下流側NOxセンサ
59・・差圧センサ
10・・ECU
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Internal combustion engine 4 ... Intake passage 5 ...
Claims (1)
前記SCRフィルタよりも下流側の排気通路に設けられたNOxセンサと、
前記NOxセンサの検出値を用いて前記SCRフィルタにおけるNOx浄化率を算出するNOx浄化率算出部と、
前記NOx浄化率算出部によって算出されたNOx浄化率と所定の判定浄化率とを比較することで前記排気浄化システムが故障しているか否かを判別する故障診断を実行する診断部と、を備え、
前記SCRフィルタの上流と下流との間の排気圧力の差を前記SCRフィルタに流入する排気の流量が一定と仮定した場合の値に変換した変換値を差圧変換値とし、前記差圧変換値以外のパラメータに基づいて推定される前記SCRフィルタにおける粒子状物質の堆積量をフィルタPM堆積量としたときの、前記フィルタPM堆積量の単位増加量当たりの前記差圧変換値の増加量を差圧変化率とし、
前記NOx浄化率算出部によるNOx浄化率の算出に用いられる前記NOxセンサの検出値が検出された時期をセンサ検出時期とし、
前記診断部が、前記センサ検出時期における前記差圧変化率が所定の閾値以上のときは前記故障診断を実行せずに、該差圧変化率が該所定の閾値より小さいときに前記故障診断を実行する排気浄化システムの故障診断装置。 An SCR filter provided in an exhaust passage of an internal combustion engine and having a SCR catalyst supported on a filter, the SCR catalyst having a function of reducing NOx in exhaust using ammonia as a reducing agent, Exhaust gas purification that diagnoses whether or not an exhaust gas purification system having an SCR filter having a function of collecting particulate matter in exhaust gas and an ammonia supply device that supplies ammonia to the SCR filter has failed In the system fault diagnosis device,
A NOx sensor provided in an exhaust passage downstream of the SCR filter;
A NOx purification rate calculating unit for calculating a NOx purification rate in the SCR filter using a detection value of the NOx sensor;
A diagnosis unit that executes a failure diagnosis for determining whether or not the exhaust purification system has failed by comparing the NOx purification rate calculated by the NOx purification rate calculation unit with a predetermined determination purification rate. ,
A differential pressure conversion value obtained by converting a difference in exhaust pressure between upstream and downstream of the SCR filter into a value when the flow rate of exhaust gas flowing into the SCR filter is assumed to be constant is used as the differential pressure conversion value. The amount of increase in the differential pressure conversion value per unit increase amount of the filter PM deposition amount when the accumulation amount of the particulate matter in the SCR filter estimated based on parameters other than the filter PM deposition amount is set as a difference. The rate of pressure change,
The time when the detected value of the NOx sensor used for the calculation of the NOx purification rate by the NOx purification rate calculation unit is detected as the sensor detection time,
When the differential pressure change rate at the sensor detection timing is equal to or greater than a predetermined threshold, the diagnosis unit does not execute the fault diagnosis and performs the fault diagnosis when the differential pressure change rate is smaller than the predetermined threshold. Fault diagnosis device for exhaust purification system to be executed.
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