JP6996382B2 - 排気浄化システムの劣化診断装置 - Google Patents

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Description

本開示は、排気浄化システムの劣化診断装置に関する。
内燃機関から排出される排気中には窒素酸化物（ＮＯｘ）が含まれている。ＮＯｘを浄化するために、排気管内に還元剤として尿素水を噴射するインジェクタと、排気管内のインジェクタよりも下流側に設けられ、排気中のＮＯｘを尿素水の加水分解により発生したアンモニアと反応させて浄化する還元触媒とを備える排気浄化システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
排気浄化システムの中には、排気管内のインジェクタよりも下流側であって還元触媒よりも上流側に、排気管内に噴射された尿素水と排気管内に流れる排気ガスとの混合を促進するためのミキサーが配置されているものがある。
排気管内に噴射された尿素水が加水分解されると、強腐食性物質であるカルバミン酸アンモニウムが生成される。例えば、生成された強腐食性物質が排気管の内壁や、ミキサーを排気管に支持する支持部などに付着し続けた場合、排気管の内壁やミキサーの支持部などが腐食して、劣化するおそれがある。
特開２００９－２２００３３号公報
ところで、排気管の内壁やミキサーの支持部に生じた腐食の状況など排気浄化システムにおける構成部品の腐食による劣化度を、目視等により正確に診断することは困難である。
これにより、排気浄化システムにおける構成部品の劣化を早期に発見することは困難を伴う。
本開示の目的は、排気浄化システムにおける構成部品の劣化を早期に発見することが可能な排気浄化システムの劣化診断装置を提供することである。
本開示の一態様に係る排気浄化システムの劣化診断装置は、
内燃機関から排気管に排出された排気ガスを浄化する排気浄化システムの劣化診断装置であって、
前記排気ガスの温度と、排気管内に噴射される還元剤の噴射量とに基づいて、前記排気浄化システムにおける構成部品の腐食による劣化度を推定する劣化度推定部と、
前記劣化度推定部により推定された前記劣化度が予め定められた閾値を超えるかどうかを判断する判断部と、
前記判断部の判断結果を出力する出力部と、
を備える。
本開示によれば、排気浄化システムにおける構成部品の劣化を早期に発見することができる。
本開示の一実施の形態に係る排気浄化システムの構成の一例を示すブロック図 排気ガスの温度、尿素水の噴射量および接続配管の腐食量の相互の関係の一例を示す３次元マップ 時間経過に応じて変化する排気ガスの温度、尿素水の噴射量および接続配管の腐食量の各数値の一例を示す図
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
本実施の形態は、自動車に搭載されたディーゼルエンジン（内燃機関）に本発明を適用した場合について説明する。以下、ディーゼルエンジンを、単にエンジンという場合がある。
図１を参照して、エンジン１０から排気管２に排出される排気ガスを浄化する排気浄化システム１の概略構造の一例について説明する。
図１に示すように、エンジン１０には、エンジン１０からの排気ガスを排出するための排気管２が設けられている。排気管２には、排気ガスを浄化するための排気浄化システム１が設けられている。
排気浄化システム１は、ＤＰＦ３（ディーゼルパティキュレートフィルタ）と、尿素ＳＣＲ触媒（以下、ＳＣＲという）４と、尿素水噴射装置５と、ミキサー６と、制御装置７とを備えている。ＤＰＦ３は、排気ガスに含まれる粒子状物質（以下、ＰＭという）を除去する。ＳＣＲ４は、排気ガスに含まれる窒素酸化物を還元するための選択還元触媒である。
ＤＰＦ３は、例えば連続再生式ＤＰＦである。ＤＰＦ３は、ＰＭを捕集するためのフィルタ本体と、フィルタ本体に対し排気ガスの流れの上流側（以下、単に上流側という）に配置された酸化触媒と、を有している。フィルタ本体および酸化触媒は、ケーシング内に収容されている。排気管２には、ＤＰＦ３に対し排気ガス流れの下流側（以下、単に下流側という）にＳＣＲ４が設けられている。
ＳＣＲ４は、アンモニアを還元剤として用いて窒素酸化物を還元する。ＳＣＲ４は、触媒成分（例えばゼオライトなど）を担体（例えばハニカム構造担体など）に担持させたものである。
ＤＰＦ３とＳＣＲ４とは、排気管２に排気ガスの流れに沿って直列に並べられて設けられている。ＤＰＦ３は、ＳＣＲ４に対し上流側（エンジン１０側）に配置されている。ＤＰＦ３の下流側開口部とＳＣＲ４の上流側開口部とを接続する排気管２を、特に、接続配管２ａという場合がある。
尿素水噴射装置５は、尿素水を貯留する尿素水タンク５ａと、尿素水タンク５ａから尿素水をくみ上げる尿素水ポンプ５ｂと、接続配管２ａ内に尿素水を噴射する尿素水インジェクタ５ｃとを備えている。尿素水インジェクタ５ｃから接続配管２ａ内に噴射された尿素水が排気熱により加水分解される。これにより、アンモニア（ＮＨ３）が生成され、下流側のＳＣＲ４に供給される。
ミキサー６は、尿素水噴射装置５に対し下流側かつＳＣＲ４に対し上流側の接続配管２ａ内に配置されている。ミキサー６は、排気ガスと還元剤との混合を均一化する。
制御装置７は、排気浄化システム１の動作を総合的に制御する。制御装置７は、各種の制御処理を実行するＣＰＵと、ＣＰＵの動作に必要な各種情報やプログラム等を記憶する記憶部としてのＲＯＭ、ＲＡＭ、ハードディスク等を有するコンピューターを備えている。制御装置７は、尿素水インジェクタ５ｃの尿素水の噴射量や噴射時間を制御する。
前述したように、接続配管２ａ内に噴射された尿素水が加水分解されると、強腐食性物質が生成され、強腐食性物質が接続配管２ａの内壁に付着し続けた場合、接続配管２ａが腐食して、劣化するおそれがある。また、強腐食性物質がミキサー６に付着することで、ミキサー６を接続配管２ａに支持する支持部が腐食して、劣化するおそれがある。以上のように、接続配管２ａ内に噴射された尿素水は、排気浄化システム１における構成部品を劣化させる要因となる。ところが、排気浄化システム１における構成部品の腐食による劣化度を、目視等よって正確に診断することは困難である。また、目視確認するためには車両が停止した状態で排気系統を分解する必要があるため、目視確認を行うこと自体がそもそも手間である。そこで、本実施の形態においては、排気浄化システム１における劣化診断装置１００を備える。
以下、排気浄化システム１における構成部品の腐食による劣化度の一例として、接続配管２ａの腐食量を挙げて説明する。劣化診断装置１００は、腐食量推定部１０１（本発明の「劣化度推定部」に対応）、判断部１０２および出力部１０３を備えている。
温度センサー８は、排気ガスの温度（接続配管２ａ内の温度）を検出する。
腐食量推定部１０１は、温度センサー８により検出された排気ガスの温度と、接続配管２ａ内に噴射される尿素水の単位時間当たりの噴射量（以下、単に「噴射量」という）とに基づいて、排気管２の総腐食量を推定する。なお、以下の説明において、単位時間当たりの腐食量を、単に「腐食量」という。
判断部１０２は、推定した総腐食量が予め定められた閾値を超えるどうかを判断し、判断した結果を出力する。
図２は、排気ガスの温度Ｔ［ｄｅｇＣ］、尿素水の噴射量Ｑ［ｍｇ／ｓ］および腐食量Ａ［ｍｍ／ｓ］の相互の関係の一例を示す３次元マップである。図２に、排気ガスの温度Ｔｉ、尿素水の噴射量Ｑｉおよび腐食量Ａｉを示す。このような３次元マップは、例えば実験により予め定められる。マップは、制御装置７の記憶部（図示略）に記憶されている。
本実施の形態においては、腐食量推定部１０１は、図２に示す３次元マップを参照して、排気ガスの温度Ｔｉと尿素水の噴射量Ｑｉとに基づいて、腐食量Ａｉを推定する。なお、排気ガスの温度Ｔｉおよび尿素水の噴射量Ｑｉの関係式が予め設けられている場合は、その関係式に、排気ガスの温度Ｔｉおよび尿素水の噴射量Ｑｉを代入することにより腐食量Ａｉを求めてもよい。
以下、上述する腐食量Ａを用いて総腐食量ΣＡを求める方法について説明する。
図３は、時系列に変化する排気ガスの温度Ｔ[ｄｅｇＣ]、尿素水の噴射量Ｑ[ｍｇ／ｓ]および腐食量Ａ［ｍｍ／ｓ］を示す図である。図４に示す横軸は時刻ｔを表し、縦軸は排気ガスの温度Ｔ、尿素水の噴射量Ｑ、腐食量Ａの各数値を表す。例えば、噴射時刻ｔｋにおける各数値は、排気ガスの温度Ｔｋ、尿素水の噴射量Ｑｋ、腐食量Ａｋである。
腐食量推定部１０１は、腐食量Ａ[ｍｍ／ｓ]を時間で積分することにより、総腐食量ΣＡ[ｍｍ]を算出する。例えば、腐食量推定部１０１は、腐食量Ａを時刻ｔｍからｔｎまで積分することにより、時刻ｔｍからｔｎまでに進行する分の総腐食量ΣＡｍｎを算出する。
以上のようにして、判断部１０２は、総腐食量ΣＡが、予め定められた閾値を超えるかどうかを判断する。出力部１０３は、判断部１０２の判断結果を出力する。判断結果を運転者等に報知するためには、種々の手段がある。例えば、判断結果を、車載モニターにメッセージとして表示してもよく、ブザーが警報音を鳴らしてもよい。また、車両に搭載された通信部（図示略）が監視センター（遠隔地）に通信網を介して通報してもよい。
上記実施の形態に係る排気浄化システム１における劣化診断装置１００によれば、エンジン１０から排出される排気ガスの温度と、接続配管２ａ内に噴射される尿素水の噴射量とに基づいて、接続配管２ａの総腐食量を推定し、推定した総腐食量が予め定められた閾値を超えるかどうかを判断し、判断結果を出力する。これにより、接続配管２ａの総腐食量を診断する精度を上げることができる。その結果、接続配管２ａの腐食を早期に発見することが可能となる。また、車両が走行していても、排気管２が高温の状態であっても、また、排気系統の分解作業を行わなくても、腐食による劣化度を診断することが可能となる。
また、総腐食量が予め定められた閾値を超えるかどうかの判断結果を運転者等に報知することにより、接続配管２ａの早期の交換や、メンテナンスを促すことができる。また、仮に、予想される最悪の条件で使用された場合の排気管やミキサーの支持部（以下、排気管等）を想定して、排気管等の品質を設定するときは、排気管等が過剰な品質になり、また、例えば、排気管等の使われ方が想定外の場合、排気管等の機能が失陥するおそれがあった。しかし、本実施の形態に係る劣化診断装置１００によれば、排気管等の腐食の早期発見ができるため、部品の交換を前提として部品の品質を設定することが可能となる。部品の交換を前提とした場合、部品を製造する際に、安価で成形性の良い材料を用いることができるため、過剰な品質を抑えることができる。また、例えば、部品の交換やメンテナンスを行うことにより、耐久性を確保することができる。
なお、上記実施の形態においては、腐食量推定部１０１による接続配管２ａの総腐食量の推定を、尿素水（還元剤）の噴射量に基づいて行うが、本発明はこれに限らず、例えば、尿素水の噴射時間に基づいて行ってもよい。
また、上記実施の形態においては、排気浄化システム１における構成部品の腐食による劣化度を、接続配管２ａの腐食量としたが、本発明はこれに限らず、排気管２内に噴射される尿素水によって劣化する、例えば、ミキサー６などの構成部品であればよい。その場合には、排気ガスの温度と尿素水の噴射量とで参照される構成部品の腐食による劣化度のマップが作成される。腐食量推定部１０１は、そのマップを参照して当該構成部品の腐食量を推定する。
また、上記実施の形態においては、排気ガスの温度を温度センサー８により検出したが、本発明はこれに限らず、排気ガスの温度を接続配管２ａの壁面の温度に基づいて推定してもよい。
また、上記実施の形態においては、排気ガスの温度と還元剤の噴射量とに基づいて接続配管２ａの腐食量を推定したが、推定した腐食量を、接続配管２ａに流れる排気ガスの流量に基づいて、補正してもよい。また、推定した腐食量を、還元剤の温度に基づいて、補正してもよい。
本開示の排気浄化システム１における劣化診断装置は、排気浄化システム１の構成部品の劣化を早期に発見することが要求される内燃機関を搭載した車両用として有用である。
１ 排気浄化システム
２ 排気管
２ａ 接続配管
３ ＤＰＦ
４ 尿素ＳＣＲ触媒（ＳＣＲ）
５ 尿素水噴射装置
５ａ 尿素水タンク
５ｂ 尿素水ポンプ
５ｃ 尿素水インジェクタ
６ ミキサー
７ 制御装置
８ 温度センサー
１０ エンジン
１００ 劣化診断装置
１０１ 腐食量推定部
１０２ 判断部
１０３ 出力部

Claims (10)

  1. 内燃機関から排気管に排出された排気ガスを浄化する排気浄化システムの劣化診断装置であって、
    前記排気ガスの温度と、排気管内に噴射される還元剤の噴射量とに基づいて、前記排気浄化システムにおける構成部品の腐食による劣化度を推定する劣化度推定部と、
    前記劣化度推定部により推定された前記劣化度が予め定められた閾値を超えるかどうかを判断する判断部と、
    前記判断部の判断結果を出力する出力部と、
    を備える、排気浄化システムの劣化診断装置。
  2. 前記劣化度推定部は、前記排気ガスの温度と前記還元剤の単位時間当たりの噴射量とに基づいて、単位時間当たりの劣化度を推定する、
    請求項１に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  3. 前記劣化度推定部は、前記排気ガスの温度と前記還元剤の単位時間当たりの噴射量とで参照される単位時間当たりの前記劣化度を示すマップを参照して、前記単位時間当たりの劣化度を推定する、
    請求項２に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  4. 前記劣化度推定部は、前記排気管の壁面温度に基づいて、前記排気ガスの温度を推定する、
    請求項１から３のいずれか一項に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  5. 前記劣化度推定部は、前記排気管内を流れる前記排気ガスの流量に基づいて、前記劣化度を補正する、
    請求項２から４のいずれか一項に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  6. 前記劣化度推定部は、前記還元剤の温度に基づいて、前記劣化度を補正する、
    請求項２から５のいずれか一項に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  7. 前記出力部は、前記判断結果を、前記排気浄化システムを搭載した車両の運転者に報知する報知部に出力する、
    請求項１から６のいずれか一項に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  8. 前記出力部は、前記判断結果を、遠隔地に設置された監視センターに通信網を介して通報する通信部に出力する、
    請求項１から７のいずれか一項に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  9. 前記構成部品の腐食による劣化度は、前記排気管の腐食量である、
    請求項１から８のいずれか一項に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
  10. 前記構成部品の腐食による劣化度は、前記排気管内に噴射された尿素水と排気管内に流れる排気ガスとの混合を促進するためのミキサーを前記排気管に支持する支持部の腐食量である、
    請求項１から９のいずれか一項に記載の排気浄化システムの劣化診断装置。
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