WO2017191805A1 - 内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法 - Google Patents

内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法 Download PDF

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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present disclosure relates to an exhaust gas purification system for an internal combustion engine and an exhaust gas purification method for the internal combustion engine.
  • a selective reduction catalyst device In an exhaust passage of an internal combustion engine such as a diesel engine mounted on a vehicle, a selective reduction catalyst device (SCR) is provided as one of exhaust gas purification treatment devices.
  • the selective catalytic reduction device (SCR) is formed by ammonia (NH 3) produced by hydrolyzing urea water injected toward exhaust gas from the urea water supply device provided in the exhaust passage in the preceding stage by heat of the exhaust gas. ) To reduce and purify NOx contained in the exhaust gas.
  • An object of the present disclosure is to calculate the purification rate of the selective catalytic reduction device with high accuracy and improve the accuracy of failure diagnosis of the selective catalytic reduction device, and the exhaust gas purification system of the internal combustion engine and the exhaust gas of the internal combustion engine The object is to provide a gas purification method.
  • an exhaust gas purification system for an internal combustion engine includes: Urea water supply device provided in the exhaust passage of the internal combustion engine; A selective catalytic reduction catalyst device group comprising at least one selective catalytic reduction device provided in the exhaust passage downstream of the urea water supply device; An upstream NOx concentration detection device provided in the exhaust passage upstream of the urea water supply device; A downstream NOx concentration detection device provided in the exhaust passage downstream of the selective reduction catalyst device group; An ammonia concentration detector provided in the exhaust passage downstream from the selective catalytic reduction catalyst group; Based on the detection value of the upstream NOx concentration detection device, the detection value of the downstream NOx concentration detection device, and the detection value of the ammonia concentration detection device, a NOx purification rate of the selective reduction catalyst device group is calculated. And a control device configured to perform control for determining whether or not the selective catalytic reduction device group has a failure based on the calculated NOx purification rate.
  • an exhaust gas purification method for an internal combustion engine for achieving the above object includes an urea water supply device and at least one or more selective reductions in order from an upstream side to an exhaust passage of the internal combustion engine.
  • the exhaust gas purification method for an internal combustion engine configured with a selective reduction type catalyst device group composed of a type catalyst device
  • the NOx concentration of the exhaust gas passing through the exhaust passage upstream of the urea water supply device The upstream NOx concentration, the downstream NOx concentration that is the NOx concentration of the exhaust gas that passes through the exhaust passage downstream from the selective catalytic reduction device group, and the ammonia concentration of the exhaust gas that passes through the downstream exhaust passage.
  • the purification rate of the selective catalytic reduction catalyst device group can be calculated with high accuracy. Therefore, the calculated purification rate is used. Thus, the accuracy of failure diagnosis of the selective catalytic reduction catalyst device group can be improved.
  • the number of selective reduction catalyst devices constituting the selective reduction catalyst device group included in the exhaust gas purification processing device is one, but a plurality of selective reduction catalyst devices may be provided.
  • an exhaust gas purification system 1 for an internal combustion engine is arranged in an exhaust passage 11 of an engine (internal combustion engine) 10 in order from an upstream side (engine side).
  • DOC particulate collection device
  • CSF particulate collection device
  • urea water supply device urea water supply device
  • selective reduction catalyst device selective reduction catalyst device
  • ammonia slip catalyst device oxidation catalyst device (DOC)
  • the purification system 1 By passing the exhaust gas G of the engine 10 through the devices 12 to 15 constituting the exhaust gas purification system 1, the particulate matter (PM) and nitrogen oxides (NOx), etc. contained in the exhaust gas G can be purified. The components are purified, and the purified exhaust gas Gc is released to the atmosphere through a muffler (not shown).
  • the oxidation catalyst device 12 and the particulate collection device 13 constitute a first exhaust gas purification treatment device
  • the selective reduction catalyst device 14 and the ammonia slip catalyst device 15 constitute a second exhaust gas purification treatment device. Is configured.
  • the oxidation catalyst device 12 is a device that oxidizes hydrocarbons (HC) and nitrogen monoxide (NO) contained in the exhaust gas G.
  • HC hydrocarbons
  • NO nitrogen monoxide
  • the oxidation catalyst device 12 is a device that oxidizes hydrocarbons (HC) and nitrogen monoxide (NO) contained in the exhaust gas G.
  • the exhaust gas G is at a low temperature, the closer the ratio of nitrogen monoxide (NO) and nitrogen dioxide (NO 2 ) contained in the exhaust gas G becomes to 1: 1, the closer the downstream of the selective catalytic reduction device 14 is. since the NOx purification rate becomes high, increasing the proportion of nitrogen dioxide (NO 2) to oxidize nitrogen monoxide (NO) in this oxidation catalyst device 12.
  • the particulate collection device 13 is a device that collects PM contained in the exhaust gas G. There is an upper limit to the amount of PM that can be collected by the particulate collection device 13 (collection amount), and as the amount of PM collected approaches the upper limit, the differential pressure across the particulate collection device 13 increases, and the engine 10 Therefore, the forced PM regeneration control of the particulate collection device 13 is periodically performed to burn and remove the PM collected by the particulate collection device 13.
  • Selective reduction catalyst device 14 ammonia (NH 3 was hydrolyzed by the heat of exhaust gas G urea water U to be injected toward the exhaust gas G from the urea water supply device 22 provided in the exhaust passage 11 of the upstream ) And NOx contained in the exhaust gas G is reduced and purified by the generated ammonia.
  • the selective catalytic reduction device 14 can store ammonia in a supported catalyst, and mainly reduces and purifies NOx contained in the exhaust gas G with the stored ammonia.
  • hydrolysis reaction from urea water U to ammonia in the selective catalytic reduction device 14 is “(NH 2 ) 2 CO + H 2 O ⁇ NH 3 + HNCO” (the temperature of the exhaust gas G is extremely low) or “HNCO + H 2. This is performed based on a chemical formula such as “O ⁇ NH 3 + CO 2 ” (the temperature of the exhaust gas G is low).
  • the ammonia slip catalyst device 15 is a device that oxidizes ammonia released from the preceding selective catalytic reduction device 14 to nitrogen (N 2 ) or NOx.
  • the oxidation reaction is carried out on the basis of the "4NH 3 + 5O 2 ⁇ 4NO + 6H 2 O, 2NH 3 + 2O 2 ⁇ N 2 O + 3H 2 O ", "4NH 3 + 3O 2 ⁇ 2N 2 + 6H 2 O " chemical formulas, and the like. If the injection amount of the urea water U from the urea water supply device 22 is excessive, the amount of ammonia released from the selective reduction catalyst device 14 also increases, and is generated by oxidizing ammonia in the ammonia slip catalyst device 15. Since the amount of NOx to be increased also increases, the NOx purification rate of the exhaust gas purification system as a whole decreases.
  • the urea water supply device 22 is connected to the urea water storage tank 20 for storing the urea water U via the urea water supply pump 21. Then, the urea water supply pump 21 is operated by a control signal from a urea water supply control unit (DCU) 41, which will be described later, so that a part of the urea water U stored in the urea water storage tank 20 is urea water supply pump.
  • the urea water supply device 22 is supplied via 21.
  • the urea water U supplied to the urea water supply device 22 passes through the exhaust passage 11 when the injection valve (not shown) of the urea water supply device 22 is opened by a control signal from the urea water supply control device 41. It is injected toward the exhaust gas G.
  • the oxidation catalyst device 12 includes an oxidation catalyst device upstream temperature sensor 30 and an oxidation catalyst device downstream temperature sensor 31 on the inlet side (front stage) and the outlet side (rear stage), respectively.
  • An upstream temperature sensor 33 is provided on the inlet side (front stage), and a downstream temperature sensor 34 is further provided on the outlet side (rear stage) of the ammonia slip catalyst device 15.
  • an upstream NOx concentration sensor (upstream NOx concentration detection device) 32 is provided in the exhaust passage 11 between the particulate collection device 13 and the urea water supply device 22, and downstream NOx is provided on the outlet side (rear stage) of the ammonia slip catalyst device 15.
  • a concentration sensor (downstream NOx concentration detection device) 35 and an ammonia concentration sensor (ammonia concentration detection device) 36 are provided.
  • the downstream NOx concentration sensor 35 and the ammonia concentration sensor 36 may be provided in the exhaust passage 11 between the selective reduction catalyst device 14 and the ammonia slip catalyst device 15.
  • the engine control device 40 detects the detected values of the upstream temperature sensor 30 for the oxidation catalyst device and the downstream temperature sensor 31 for the oxidation catalyst device, the temperature of the engine cooling water, the atmospheric pressure, the temperature and flow rate of the intake air flowing into the engine 10, It is a device that controls the operating state of the engine 10 based on data such as the flow rate of fuel injected into a cylinder (not shown).
  • the urea water supply control device 41 acquires the above-mentioned data input to the engine control device 40 from the engine control device 40, and the acquired data or data directly input to the urea water supply control device 41 (for example, upstream This is a device that controls the operating state of the urea water supply pump 21 and the urea water supply device 22 based on the detection value of the temperature sensor 33 and the like.
  • the urea water supply control device may include a known CPU, a storage device such as a ROM or a RAM, and the storage device executes a program that is executed by the CPU and forms a part of the exhaust purification system of the present disclosure. You may remember. Any one of the functional elements of the control device can be provided in separate hardware.
  • the urea water supply control device (the control device that controls the exhaust gas purification system 1) 41 includes the detection value Nud of the upstream NOx concentration sensor 32 and the downstream side. Based on the detection value Ndd of the NOx concentration sensor 35 and the detection value Sd of the ammonia concentration detection sensor 36, the NOx purification rate P of the selective catalytic reduction catalyst device 14 is calculated. Based on the calculated NOx purification rate P, control is performed to determine whether or not there is a failure in the selective catalytic reduction catalyst device 14 (to make a failure diagnosis).
  • the urea water supply control device 41 calculates the upstream NOx flow rate Nuf from the flow rate F of the exhaust gas G passing through the exhaust passage 11 and the upstream NOx concentration Nud, and the flow rate F of the exhaust gas GG and the downstream NOx.
  • the exhaust gas Gc after passing through the selective catalytic reduction device 14 is subtracted.
  • a true downstream NOx flow rate Ndft ( Ndf ⁇ Sf), which is a flow rate of contained nitrogen oxide (NOx), is calculated.
  • the downstream NOx concentration sensor 35 detects not only the concentration of nitrogen oxide (NOx) contained in the exhaust gas G but also the concentration of ammonia (NH 3 ). Therefore, the true downstream NOx flow rate Ndft is calculated by subtracting the ammonia amount Sf from the downstream NOx flow rate Ndf calculated by conversion from the detection value of the downstream NOx concentration sensor 35.
  • the urea water supply control device 41 calculates the NOx purification rate P of the selective catalytic reduction catalyst device 14 based on the upstream NOx flow rate Nuf and the true downstream NOx flow rate Ndft, and the calculated NOx purification rate P is When it is less than (or below) the determination threshold value Pc, control is performed to determine that the selective catalytic reduction catalyst device 14 has failed.
  • the NOx purification rate P is calculated using the following equation (1).
  • the determination threshold value Pc may be set based on a control map (not shown) set in advance for each temperature and flow rate of the exhaust gas G passing through the selective catalytic reduction device 14, or the operation of the engine 10. It may be set as a value obtained by multiplying the estimated value of the NOx purification rate of the selective catalytic reduction device 14 estimated according to the state by a diagnostic coefficient.
  • the NOx flow rate (true downstream NOx flow rate) Ndft contained in the exhaust gas Gc is calculated in consideration of the fact that the detection value of the downstream NOx concentration sensor 35 also includes the ammonia concentration. Since the NOx purification rate P of the selective catalytic reduction device 14 is calculated using the calculated value Ndft, the purification rate P of the selective catalytic reduction device 14 can be calculated with high accuracy.
  • the NOx purification rate P of the selective catalytic reduction device 14 can be calculated with high accuracy, so the accuracy of failure diagnosis (determining whether there is a failure) of the selective catalytic reduction device 14 is improved. Can be made.
  • FIG. 2 shows a control flow of the exhaust gas purification method for an internal combustion engine of the present disclosure based on the exhaust gas purification system 1 for the internal combustion engine.
  • the control flow in FIG. 2 corresponds to the control time set in advance when various conditions are satisfied, such as when the flow rate of the exhaust gas G is equal to or higher than the set flow rate, depending on the operating state of the engine 10.
  • Each is called and executed from an advanced control flow, and is shown as a control flow that returns to the advanced control flow after execution.
  • step S10 the upstream NOx concentration Nud, the downstream NOx concentration Ndd, and the ammonia concentration Sd are detected by the corresponding sensors 32, 35, and 36, respectively, and these concentrations and the exhaust gas flow rate F are detected. From these, the upstream NOx flow rate Nuf, the downstream NOx flow rate Ndf, and the ammonia amount Sf are calculated. After performing the control of step S10, the process proceeds to step S20.
  • step S20 the NOx purification rate P of the selective catalytic reduction catalyst device 14 is calculated based on the upstream NOx flow rate Nuf, the downstream NOx flow rate Ndf, and the ammonia amount Sf calculated in step S10. After performing the control of step S20, the process proceeds to step S30.
  • step S30 it is determined whether or not the NOx purification rate P calculated in step S20 is greater than or equal to a determination threshold value Pc set in advance by experiment or the like.
  • a determination threshold value Pc set in advance by experiment or the like.
  • step S30 determines that the selective catalytic reduction catalyst device 14 is normal. After carrying out the control in step S50, the process proceeds to return, and this control flow ends.
  • step S30A the NOx purification rate P and the previous control are calculated. It may be determined whether or not the absolute value
  • (
  • step S30A When the determination in step S30A is added to the control flow, if the absolute value
  • step S50 when the absolute value
  • the exhaust gas purification method for an internal combustion engine based on the exhaust gas purification system 1 for the internal combustion engine described above, in order from the upstream side to the exhaust passage 11 of the internal combustion engine 10, the urea water supply device 22,
  • the exhaust gas passes through the exhaust passage 11 upstream of the urea water supply device 22.
  • the upstream NOx concentration Nud that is the NOx concentration of the exhaust gas G
  • the downstream NOx concentration Ndd that is the NOx concentration of the exhaust gas Gc that passes through the exhaust passage 11 downstream from the selective catalytic reduction catalyst group, and the downstream exhaust passage 11.
  • the NOx purification rate P of the selective catalytic reduction catalyst group is calculated based on the ammonia concentration Sd of the exhaust gas Gc passing through the exhaust gas Gc, and selected based on the calculated NOx purification rate P. Determining the presence or absence of a failure of the reduction catalyst unit group the method comprising.
  • the purification rate P of the selective catalytic reduction catalyst device 14 can be calculated with high accuracy. By using P, the accuracy of failure diagnosis of the selective catalytic reduction catalyst device 14 can be improved.
  • the exhaust gas purification processing device includes one selective reduction catalyst device 14, the exhaust gas purification processing device includes two or more selective reduction catalyst devices 14. Even if it is a structure, there can exist said effect of this indication.
  • the selective reduction catalyst device 14 is further provided with an ammonia concentration sensor, and the failure diagnosis of each selective reduction catalyst device 14 is performed using these detected values, the failed selection It is more preferable because the reduction catalyst device 14 can be quickly discovered and parts can be replaced.
  • the present disclosure is useful in that the accuracy of failure diagnosis of the selective catalytic reduction catalyst device group can be improved.

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Abstract

尿素水供給装置２２より上流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧのＮＯｘ濃度である上流ＮＯｘ濃度Ｎｕｄと、選択還元型触媒装置群より下流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧｃのＮＯｘ濃度である下流ＮＯｘ濃度Ｎｄｄと、下流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧｃのアンモニア濃度Ｓｄとに基づいて、選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率Ｐを算出して、この算出したＮＯｘ浄化率Ｐに基づいて選択還元型触媒装置群の故障の有無を判定する。

Description

内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法
　本開示は、内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法に関する。
　車両に搭載されるディーゼルエンジン等の内燃機関の排気通路には、排気ガス浄化処理装置の一つとして選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）が備えられている。選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）は、その前段の排気通路に備えた尿素水供給装置より排気ガスに向けて噴射される尿素水を排気ガスの熱により加水分解して生成されるアンモニア（ＮＨ3）により、排気ガスに含まれるＮＯｘを還元浄化する装置である。
　この選択還元型触媒装置（ＳＣＲ）の故障を判定するシステムとして、ＨＣを還元剤とするシステムではあるが、排気通路に備えたプラズマ生成装置とＨＣ選択還元型触媒の内、いずれの装置に故障が発生しているかをＨＣ選択還元触媒の下流側の排気中のＮＯｘ濃度及びアンモニア濃度に基づいて判定する内燃機関の排気ガス浄化システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
日本国特開２０１３－１４２３５０号公報
　しかしながら、アンモニアを還元剤とする尿素水系の選択還元型触媒装置の浄化率を高精度で算出することで、選択還元型触媒装置の故障診断の精度を向上させることができるシステムについては、未だ良案が提案されていない。
　本開示の目的は、選択還元型触媒装置の浄化率を高精度で算出して、選択還元型触媒装置の故障診断の精度を向上させることができる内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法を提供することにある。
　上記の目的を達成するための本開示にかかる一様態の内燃機関の排気ガス浄化システムは、
　内燃機関の排気通路に備えられた尿素水供給装置と、
前記尿素水供給装置の下流側の前記排気通路に備えられた少なくとも１つ以上の選択還元型触媒装置で構成される選択還元型触媒装置群と、
　前記尿素水供給装置より上流側の前記排気通路に備えられた上流ＮＯｘ濃度検出装置と、
　前記選択還元型触媒装置群より下流側の前記排気通路に備えられた下流ＮＯｘ濃度検出装置と、
前記選択還元型触媒装置群より下流側の前記排気通路に備えられたアンモニア濃度検出装置と、
　　前記上流ＮＯｘ濃度検出装置の検出値と、前記下流ＮＯｘ濃度検出装置の検出値と、前記アンモニア濃度検出装置の検出値とに基づいて、前記選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率を算出して、この算出したＮＯｘ浄化率に基づいて前記選択還元型触媒装置群の故障の有無を判定する制御を行うように構成される制御装置と
を備える。
　また、上記の目的を達成するための本開示にかかる一様態の内燃機関の排気ガス浄化方法は、内燃機関の排気通路に、上流側より順に、尿素水供給装置、少なくとも１つ以上の選択還元型触媒装置で構成される選択還元型触媒装置群を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化方法において、前記尿素水供給装置より上流側の前記排気通路を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度である上流ＮＯｘ濃度と、前記選択還元型触媒装置群より下流側の前記排気通路を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度である下流ＮＯｘ濃度と、前記下流側の排気通路を通過する排気ガスのアンモニア濃度とに基づいて、前記選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率を算出して、この算出したＮＯｘ浄化率に基づいて前記選択還元型触媒装置群の故障の有無を判定することを特徴とする方法である。
　本開示の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、選択還元型触媒装置群の浄化率を高精度で算出することができるので、この算出した浄化率を用いることで選択還元型触媒装置群の故障診断の精度を向上させることができる。
本開示に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システムの構成を模式的に示す図である。 本開示に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローを示す図である。
　以下、本開示に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム及び内燃機関の排気ガス浄化方法について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態では、排気ガス浄化処理装置に備える選択還元型触媒装置群を構成する選択還元型触媒装置の個数を１個としているが、複数個備えてもよい。
　図１に示すように、本開示に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１は、エンジン（内燃機関）１０の排気通路１１に、上流側（エンジン側）より順に、酸化触媒装置（ＤＯＣ）１２、微粒子捕集装置（ＣＳＦ）１３、尿素水供給装置２２、選択還元型触媒装置１４、アンモニアスリップ触媒装置（酸化触媒装置（ＤＯＣ））１５を備えて構成されるシステムである。
　この排気ガス浄化システム１を構成する装置１２～１５にエンジン１０の排気ガスＧを通過させることで、排気ガスＧに含まれる、微粒子状物質（ＰＭ）と窒素酸化物（ＮＯｘ）等の浄化対象成分は浄化され、浄化された排気ガスＧｃはマフラー（図示しない）等を介して大気へ放出される。
　なお、図１では、酸化触媒装置１２及び微粒子捕集装置１３により第１の排気ガス浄化処理装置を構成し、選択還元型触媒装置１４及びアンモニアスリップ触媒装置１５により第２の排気ガス浄化処理装置を構成している。
　酸化触媒装置１２は、排気ガスＧに含まれる炭化水素（ＨＣ）や一酸化窒素（ＮＯ）を酸化する装置である。特に、排気ガスＧが低温のときには、排気ガスＧに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）と二酸化窒素（ＮＯ2）の比率が１：１に近づくほど、下流側の選択還元型触媒装置１４でのＮＯｘ浄化率が高くなるため、この酸化触媒装置１２で一酸化窒素（ＮＯ）を酸化して二酸化窒素（ＮＯ2）の割合を増加させる。
　微粒子捕集装置１３は、排気ガスＧに含まれるＰＭを捕集する装置である。微粒子捕集装置１３に捕集できるＰＭの量（捕集量）には上限があり、ＰＭの捕集量が上限に近づくにつれて、微粒子捕集装置１３の前後差圧が上昇して、エンジン１０の性能に支障が生じるため、定期的に微粒子捕集装置１３の強制ＰＭ再生制御を行って、微粒子捕集装置１３に捕集されたＰＭを燃焼除去している。
　選択還元型触媒装置１４は、その上流の排気通路１１に備えた尿素水供給装置２２より排気ガスＧに向けて噴射される尿素水Ｕを排気ガスＧの熱により加水分解してアンモニア（ＮＨ3）を生成し、この生成したアンモニアにより排気ガスＧに含まれるＮＯｘを還元浄化する装置である。
　この選択還元型触媒装置１４は、担持した触媒にアンモニアを貯留することができ、この貯留したアンモニアにより排気ガスＧに含まれるＮＯｘを主に還元浄化している。しかし、貯留可能なアンモニアの量（ストレージ量）には上限があり、この上限を超えて貯留できなくなったアンモニアは選択還元型触媒装置１４の下流側の排気通路１１に放出される。
　なお、選択還元型触媒装置１４における尿素水Ｕからアンモニアへの加水分解反応は、「（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＮＨ3＋ＨＮＣＯ」（排気ガスＧの温度が極低温）や、「ＨＮＣＯ＋Ｈ2Ｏ→ＮＨ3＋ＣＯ2」（排気ガスＧの温度が低温）等の化学式に基づいて行われる。また、選択還元型触媒装置１４におけるアンモニアとＮＯｘの酸化還元反応は、「ＮＯ＋ＮＯ2＋２ＮＨ3→２Ｎ2＋３Ｈ2Ｏ」、「４ＮＯ＋４ＮＨ3＋Ｏ２→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ」、「４ＮＯ2＋４ＮＨ3→４Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ＋Ｏ2」等の化学式に基づいて行われる。
　アンモニアスリップ触媒装置１５は、前段の選択還元型触媒装置１４より放出されたアンモニアを窒素（Ｎ2）またはＮＯｘに酸化する装置である。この酸化反応は、「４ＮＨ3＋５Ｏ2→４ＮＯ＋６Ｈ2Ｏ、２ＮＨ3＋２Ｏ2→Ｎ2Ｏ＋３Ｈ2Ｏ」、「４ＮＨ3＋３Ｏ2→２Ｎ2＋６Ｈ2Ｏ」等の化学式に基づいて行われる。尿素水供給装置２２からの尿素水Ｕの噴射量が過剰であると、選択還元型触媒装置１４より放出されるアンモニアの量も多くなり、このアンモニアスリップ触媒装置１５でアンモニアを酸化することで発生するＮＯｘの量も多くなるので、排気ガス浄化システム全体としてのＮＯｘ浄化率が低下してしまう。
　また、尿素水供給装置２２は、尿素水供給ポンプ２１を介して、尿素水Ｕを貯留する尿素水貯留タンク２０と接続している。そして、後述する尿素水供給制御装置（ＤＣＵ）４１からの制御信号により尿素水供給ポンプ２１を作動させることで、尿素水貯留タンク２０に貯留している尿素水Ｕの一部を尿素水供給ポンプ２１を介して尿素水供給装置２２に供給する。尿素水供給装置２２に供給された尿素水Ｕは、尿素水供給制御装置４１からの制御信号により尿素水供給装置２２の噴射弁（図示しない）が開弁されることで、排気通路１１を通過する排気ガスＧに向けて噴射される。
　また、酸化触媒装置１２の入口側（前段）及び出口側（後段）に、それぞれ、酸化触媒装置用上流温度センサー３０、酸化触媒装置用下流温度センサー３１を備えるとともに、選択還元型触媒装置１４の入口側（前段）に上流温度センサー３３を備え、さらに、アンモニアスリップ触媒装置１５の出口側（後段）に下流温度センサー３４を備える。
　また、微粒子捕集装置１３と尿素水供給装置２２の間の排気通路１１に上流ＮＯｘ濃度センサー（上流ＮＯｘ濃度検出装置）３２を備えるとともに、アンモニアスリップ触媒装置１５の出口側（後段）に下流ＮＯｘ濃度センサー（下流ＮＯｘ濃度検出装置）３５とアンモニア濃度センサー（アンモニア濃度検出装置）３６を備える。なお、下流ＮＯｘ濃度センサー３５及びアンモニア濃度センサー３６については、選択還元型触媒装置１４とアンモニアスリップ触媒装置１５の間の排気通路１１に備えてもよい。
　また、アンモニア濃度センサー３６は、ジルコニアの酸素イオン伝導性及び電極上での検出対象物の触媒による分解反応でアンモニアの濃度を検出するセンサーである（Ｏ＝（１／２）Ｏ2＋２ｅ、Ｏ＋（２／３）ＮＨ3→Ｈ2Ｏ＋（１／３）Ｎ2＋２ｅ）。
　また、エンジン制御装置（ＥＣＵ）４０と尿素水供給制御装置（ＤＣＵ）４１を備える。エンジン制御装置４０は、酸化触媒装置用上流温度センサー３０及び酸化触媒装置用下流温度センサー３１の検出値、エンジン冷却水の温度、大気圧力、エンジン１０に流入する吸気の温度及び流量、エンジン１０の気筒（図示しない）内に噴射される燃料の流量等のデータを基に、エンジン１０の運転状態を制御する装置である。
　尿素水供給制御装置４１は、エンジン制御装置４０に入力される上記のデータをエンジン制御装置４０より取得して、この取得したデータや尿素水供給制御装置４１に直接入力されるデータ（例えば、上流温度センサー３３の検出値等）を基に、尿素水供給ポンプ２１及び尿素水供給装置２２の作動状態を制御する装置である。尿素水供給制御装置は、公知のＣＰＵや、ＲＯＭ、ＲＡＭ等の記憶装置等を備えていてもよく、記憶装置にはＣＰＵによって実行され、本開示の排気浄化システムの一部を構成するプログラムを記憶していてもよい。制御装置の機能要素は、いずれか一部を別体のハードウェアに設けることもできる。 
　本開示に係る実施の形態の内燃機関の排気ガス浄化システム１では、尿素水供給制御装置（排気ガス浄化システム１を制御する制御装置）４１が、上流ＮＯｘ濃度センサー３２の検出値Ｎｕｄと、下流ＮＯｘ濃度センサー３５の検出値Ｎｄｄと、アンモニア濃度検出センサー３６の検出値Ｓｄとに基づいて、選択還元型触媒装置１４のＮＯｘ浄化率Ｐを算出する。そして、この算出したＮＯｘ浄化率Ｐに基づいて選択還元型触媒装置１４の故障の有無を判定する（故障診断をする）制御を行うように構成する。
　より詳細には、尿素水供給制御装置４１が、排気通路１１を通過する排気ガスＧの流量Ｆと上流ＮＯｘ濃度Ｎｕｄとから上流ＮＯｘ流量Ｎｕｆを算出するとともに、排気ガスＧＧの流量Ｆと下流ＮＯｘ濃度Ｎｄｄとから算出される下流ＮＯｘ流量Ｎｄｆより、排気ガスＧの流量Ｆとアンモニア濃度Ｓｄとから算出されるアンモニア量Ｓｆを減算して、選択還元型触媒装置１４を通過後の排気ガスＧｃに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の流量である真の下流ＮＯｘ流量Ｎｄｆｔ（＝Ｎｄｆ－Ｓｆ）を算出する。
　ここで、下流ＮＯｘ濃度センサー３５では、排気ガスＧに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度だけでなく、アンモニア（ＮＨ3）の濃度も検出してしまう。したがって、下流ＮＯｘ濃度センサー３５の検出値より換算して算出される下流ＮＯｘ流量Ｎｄｆよりアンモニア量Ｓｆを減算することで、真の下流ＮＯｘ流量Ｎｄｆｔを算出する。
　そして、尿素水供給制御装置４１が、上流ＮＯｘ流量Ｎｕｆと真の下流ＮＯｘ流量Ｎｄｆｔとに基づいて、選択還元型触媒装置１４のＮＯｘ浄化率Ｐを算出するとともに、この算出したＮＯｘ浄化率Ｐが判定閾値Ｐｃ未満（または以下）であるときに、選択還元型触媒装置１４の故障と判定する制御を行う。
　このＮＯｘ浄化率Ｐは、下記の（１）式を用いて算出される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　また、判定閾値Ｐｃについては、選択還元型触媒装置１４を通過する排気ガスＧの温度及び流量毎に予め設定した制御マップ（図示しない）を基にして設定してもよいし、エンジン１０の運転状態に応じて推定される選択還元型触媒装置１４のＮＯｘ浄化率の推定値に診断用係数を乗算した値として設定してもよい。
　この構成によれば、下流ＮＯｘ濃度センサー３５の検出値にアンモニアの濃度も含まれることを考慮して、排気ガスＧｃに含まれるＮＯｘの流量（真の下流ＮＯｘ流量）Ｎｄｆｔを算出するとともに、この算出値Ｎｄｆｔを用いて選択還元型触媒装置１４のＮＯｘ浄化率Ｐを算出するので、選択還元型触媒装置１４の浄化率Ｐを高精度で算出することができる。
　また、この構成によれば、選択還元型触媒装置１４のＮＯｘ浄化率Ｐを高精度で算出することができるので、選択還元型触媒装置１４の故障診断（故障の有無の判定）の精度を向上させることができる。
　次に、上記の内燃機関の排気ガス浄化システム１を基にした、本開示の内燃機関の排気ガス浄化方法の制御フローを図２に示す。図２の制御フローは、エンジン１０の運転状態に応じて、より詳細には、排気ガスＧの流量が設定流量以上である等、種々の条件が成立しているときに、予め設定した制御時間毎に上級の制御フローから呼ばれて実施され、実施後に、上級の制御フローに戻る制御フローとして示している。
　図２の制御フローがスタートすると、ステップＳ１０にて、上流ＮＯｘ濃度Ｎｕｄ、下流ＮＯｘ濃度Ｎｄｄ、アンモニア濃度Ｓｄをそれぞれ対応するセンサー３２、３５、３６で検出するとともに、これらの濃度と排気ガス流量Ｆとから、上流ＮＯｘ流量Ｎｕｆ、下流ＮＯｘ流量Ｎｄｆ、アンモニア量Ｓｆを算出する。ステップＳ１０の制御を実施後、ステップＳ２０に進む。
　ステップＳ２０にて、ステップＳ１０で算出した上流ＮＯｘ流量Ｎｕｆと下流ＮＯｘ流量Ｎｄｆとアンモニア量Ｓｆとに基づいて、選択還元型触媒装置１４のＮＯｘ浄化率Ｐを算出する。ステップＳ２０の制御を実施後、ステップＳ３０に進む。
　ステップＳ３０にて、ステップＳ２０で算出したＮＯｘ浄化率Ｐが実験等により予め設定された判定閾値Ｐｃ以上となるか否かを判定する。ＮＯｘ浄化率Ｐが判定閾値Ｐｃ以下となる場合（ＹＥＳ）はステップＳ４０に進み、ステップＳ４０にて、選択還元型触媒装置１４は故障していると判定する。ステップＳ４０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
　一方、ステップＳ３０にて、ＮＯｘ浄化率Ｐが判定閾値Ｐｃを超える場合（ＮＯ）はステップＳ５０に進み、ステップＳ５０にて、選択還元型触媒装置１４は正常であると判定する。ステップＳ５０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
　なお、図示しないが、ステップＳ３０でＮＯｘ浄化率Ｐが判定閾値Ｐｃを超えるときに、ステップＳ５０に進まずに、ステップＳ３０Ａに進み、ステップＳ３０Ａにて、ＮＯｘ浄化率Ｐと前回の制御時に算出したＮＯｘ浄化率Ｐｂとの差の絶対値｜ΔＰ｜（＝｜Ｐ－Ｐｂ｜）が実験等により予め設定された第２の判定閾値ΔＰｃ以上であるか否かを判定してもよい。
　このステップＳ３０Ａの判定を本制御フローに加える場合は、絶対値｜ΔＰ｜が第２の判定閾値ΔＰｃ以下であるときは、ステップＳ４０に進み、ステップＳ４０にて、選択還元型触媒装置１４は故障していると判定する。ステップＳ４０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
　一方、絶対値｜ΔＰ｜が第２の判定閾値ΔＰｃを超えるときは、ステップＳ５０に進み、ステップＳ５０にて、選択還元型触媒装置１４は正常であると判定する。ステップＳ５０の制御を実施後、リターンに進んで、本制御フローを終了する。
　以上より、上記の内燃機関の排気ガス浄化システム１を基にした本開示の内燃機関の排気ガス浄化方法は、内燃機関１０の排気通路１１に、上流側より順に、尿素水供給装置２２、少なくとも１つ以上の選択還元型触媒装置１４で構成される選択還元型触媒装置群を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化方法において、尿素水供給装置２２より上流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧのＮＯｘ濃度である上流ＮＯｘ濃度Ｎｕｄと、選択還元型触媒装置群より下流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧｃのＮＯｘ濃度である下流ＮＯｘ濃度Ｎｄｄと、下流側の排気通路１１を通過する排気ガスＧｃのアンモニア濃度Ｓｄとに基づいて、選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率Ｐを算出して、この算出したＮＯｘ浄化率Ｐに基づいて選択還元型触媒装置群の故障の有無を判定することを特徴とする方法となる。
　上記の構成の内燃機関の排気ガス浄化システム１及び内燃機関の排気ガス浄化方法によれば、選択還元型触媒装置１４の浄化率Ｐを高精度で算出することができるので、この算出した浄化率Ｐを用いることで選択還元型触媒装置１４の故障診断の精度を向上させることができる。
　なお、本実施形態では、排気ガス浄化処理装置に選択還元型触媒装置１４を１個備えた構成を基にして説明したが、排気ガス浄化処理装置に選択還元型触媒装置１４を２個以上備えた構成としても上記の本開示の作用効果を奏することができる。
　この場合、さらに、各選択還元型触媒装置１４の間にアンモニア濃度センサーを備えるとともに、これらの検出値を用いて各選択還元型触媒装置１４の故障診断を行うようにすると、故障している選択還元型触媒装置１４を迅速に発見することができ、部品交換等の対応を行うことができるので、より好ましい。
　本出願は、2016年5月2日付で出願された日本国特許出願（特願2016-092374）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
産業上に利用可能性
　本開示によれば、選択還元型触媒装置群の故障診断の精度を向上させることができる点で有用である。
１　内燃機関の排気ガス浄化システム
１０　エンジン（内燃機関）
１１　排気通路
１４　選択還元型触媒装置
２２　尿素水供給装置
３２　上流ＮＯｘ濃度センサー（上流ＮＯｘ濃度検出装置）
３５　下流ＮＯｘ濃度センサー（下流ＮＯｘ濃度検出装置）
３６　アンモニア濃度センサー（アンモニア濃度検出装置）
４１　尿素水供給制御装置
Ｐ　ＮＯｘ浄化率
Ｐｃ　ＮＯｘ浄化率の判定閾値
Ｆ　排気ガスの流量
Ｎｕｄ　上流ＮＯｘ濃度
Ｎｕｆ　上流ＮＯｘ流量
Ｎｄｄ　下流ＮＯｘ濃度
Ｎｄｆ　下流ＮＯｘ流量
Ｎｄｆｔ　真の下流ＮＯｘ流量
Ｓｄ　アンモニア濃度
Ｓｆ　アンモニア量
Ｕ　尿素水
Ｇ　エンジンの排気ガス
Ｇｃ　浄化処理された排気ガス

Claims (4)

  1. 　内燃機関の排気通路に備えられた尿素水供給装置と、
    前記尿素水供給装置の下流側の前記排気通路に備えられた少なくとも１つ以上の選択還元型触媒装置で構成される選択還元型触媒装置群と、
    　前記尿素水供給装置より上流側の前記排気通路に備えられた上流ＮＯｘ濃度検出装置と、
    　前記選択還元型触媒装置群より下流側の前記排気通路に備えられた下流ＮＯｘ濃度検出装置と、
    前記選択還元型触媒装置群より下流側の前記排気通路に備えられたアンモニア濃度検出装置と、
    　　前記上流ＮＯｘ濃度検出装置の検出値と、前記下流ＮＯｘ濃度検出装置の検出値と、前記アンモニア濃度検出装置の検出値とに基づいて、前記選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率を算出して、この算出したＮＯｘ浄化率に基づいて前記選択還元型触媒装置群の故障の有無を判定する制御を行うように構成される制御装置と
    を備えることを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化システム。
  2. 　前記制御装置が、
    　前記排気通路を通過する排気ガスの流量と前記上流ＮＯｘ濃度検出装置の検出値である上流ＮＯｘ濃度とから上流ＮＯｘ流量を算出するとともに、
    　前記排気ガスの流量と前記下流ＮＯｘ濃度検出装置の検出値である下流ＮＯｘ濃度とから算出される下流ＮＯｘ流量より、前記排気ガスの流量と前記アンモニア濃度検出装置の検出値であるアンモニア濃度とから算出されるアンモニア量を減算して、真の下流ＮＯｘ流量を算出し、
    　前記上流ＮＯｘ流量と前記真の下流ＮＯｘ流量とに基づいて、前記選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率を算出する制御を行うように構成される請求項１に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
  3. 　前記制御装置が、
    　前記選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率が予め設定された判定閾値以下であるときに、前記選択還元型触媒装置群の故障と判定する制御を行うように構成される請求項１または２に記載の内燃機関の排気ガス浄化システム。
  4. 　内燃機関の排気通路に、上流側より順に、尿素水供給装置、少なくとも１つ以上の選択還元型触媒装置で構成される選択還元型触媒装置群を備えて構成される内燃機関の排気ガス浄化方法において、
    　前記尿素水供給装置より上流側の前記排気通路を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度である上流ＮＯｘ濃度と、前記選択還元型触媒装置群より下流側の前記排気通路を通過する排気ガスのＮＯｘ濃度である下流ＮＯｘ濃度と、前記下流側の排気通路を通過する排気ガスのアンモニア濃度とに基づいて、前記選択還元型触媒装置群のＮＯｘ浄化率を算出して、
    　この算出したＮＯｘ浄化率に基づいて前記選択還元型触媒装置群の故障の有無を判定することを特徴とする内燃機関の排気ガス浄化方法。
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