JP2009079584A - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】廉価な方法で尿素水の濃度を検出する。
【解決手段】機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒１５を配置し、尿素水タンク２０内に貯留された尿素水をＮＯx選択還元触媒１５に供給してＮＯxを選択的に還元する。ＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率を検出するためにＮＯx選択還元触媒１５下流の機関排気通路内にＮＯxセンサ４１が配置され、検出されたＮＯx浄化率から尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が推定される。
【選択図】図１

Description

本発明は内燃機関の排気浄化装置に関する。
機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水をＮＯx選択還元触媒に供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、尿素水の異常を検出するために尿素水タンク内に尿素水濃度センサを配置した内燃機関が公知である（例えば特許文献１を参照）。
特開２００５−８３２２３号公報
しかしながらこの尿素水濃度センサは高価であり、より廉価な他の方法を使用したいのが現状である。
本発明は、廉価でかつ確実に尿素水の濃度を推定することのできる排気浄化装置を提供することにある。
本発明によれば、機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水をＮＯx選択還元触媒に供給して尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、ＮＯx選択還元触媒によるＮＯx浄化率を検出するためにＮＯx選択還元触媒下流の機関排気通路内にＮＯxセンサを配置し、検出されたＮＯx浄化率から尿素水タンク内の尿素水の濃度を推定するようにしている。
尿素水濃度センサを用いないで尿素水の濃度を推定することができる。
図１に圧縮着火式内燃機関の全体図を示す。
図１を参照すると、１は機関本体、２は各気筒の燃焼室、３は各燃焼室２内に夫々燃料を噴射するための電子制御式燃料噴射弁、４は吸気マニホルド、５は排気マニホルドを夫々示す。吸気マニホルド４は吸気ダクト６を介して排気ターボチャージャ７のコンプレッサ７ａの出口に連結され、コンプレッサ７ａの入口は吸入空気量検出器８を介してエアクリーナ９に連結される。吸気ダクト６内にはステップモータにより駆動されるスロットル弁１０が配置され、更に吸気ダクト６周りには吸気ダクト６内を流れる吸入空気を冷却するための冷却装置１１が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置１１内に導かれ、機関冷却水によって吸入空気が冷却される。
一方、排気マニホルド５は排気ターボチャージャ７の排気タービン７ｂの入口に連結され、排気タービン７ｂの出口は酸化触媒１２の入口に連結される。この酸化触媒１２の下流には酸化触媒１２に隣接して排気ガス中に含まれる粒子状物質を捕集するためのパティキュレートフィルタ１３が配置され、このパティキュレートフィルタ１３の出口は排気管１４を介してＮＯx選択還元触媒１５の入口に連結される。このＮＯx選択還元触媒１５の出口には酸化触媒１６が連結される。
ＮＯx選択還元触媒１５上流の排気管１４内には尿素水供給弁１７が配置され、この尿素水供給弁１７は供給管１８、供給ポンプ１９を介して尿素水タンク２０に連結される。尿素水タンク２０内に貯蔵されている尿素水は供給ポンプ１９によって尿素水供給弁１７から排気管１４内を流れる排気ガス中に噴射され、尿素から発生したアンモニア（（ＮＨ2）2ＣＯ＋Ｈ2Ｏ→２ＮＨ3＋ＣＯ2）によって排気ガス中に含まれるＮＯxがＮＯx選択還元触媒１５において還元される。
排気マニホルド５と吸気マニホルド４とは排気ガス再循環（以下、ＥＧＲと称す）通路２１を介して互いに連結され、ＥＧＲ通路２１内には電子制御式ＥＧＲ制御弁２２が配置される。また、ＥＧＲ通路２１周りにはＥＧＲ通路２１内を流れるＥＧＲガスを冷却するための冷却装置２３が配置される。図１に示される実施例では機関冷却水が冷却装置２３内に導かれ、機関冷却水によってＥＧＲガスが冷却される。一方、各燃料噴射弁３は燃料供給管２４を介してコモンレール２５に連結され、このコモンレール２５は電子制御式の吐出量可変な燃料ポンプ２６を介して燃料タンク２７に連結される。燃料タンク２７内に貯蔵されている燃料は燃料ポンプ２６によってコモンレール２５内に供給され、コモンレール２５内に供給された燃料は各燃料供給管２４を介して燃料噴射弁３に供給される。
図１に示されるように尿素水タンク２０は尿素水の補充口に取付けられたキャップ２８と、尿素水タンク２０内の残留尿素水を排出させるためのドレインコック２９とを備えている。更に尿素水タンク２０内には尿素水タンク２０内の尿素水の液面の高さを検出可能なレベルセンサ４０が配置されている。このレベルセンサ４０は尿素水タンク２０内の尿素水の液面の高さに比例した出力を発生する。
一方、酸化触媒１６下流の機関排気通路内には排気ガス中のＮＯx濃度を検出可能なＮＯxセンサ４１が配置されている。このＮＯxセンサ４１は排気ガス中のＮＯx濃度に比例した出力を発生する。また、ＮＯx選択還元触媒１５にはＮＯx選択還元触媒１５の温度を検出するための温度センサ４２が配置されている。
電子制御ユニット３０はデジタルコンピュータからなり、双方向性バス３１によって互いに接続されたＲＯＭ（リードオンリメモリ）３２、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリ）３３、ＣＰＵ（マイクロプロセッサ）３４、入力ポート３５および出力ポート３６を具備する。レベルセンサ４０、ＮＯxセンサ４１、温度センサ４２および吸入空気量検出器８の出力信号は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。また、アクセルペダル４５にはアクセルペダル４５の踏込み量Ｌに比例した出力電圧を発生する負荷センサ４６が接続され、負荷センサ４６の出力電圧は対応するＡＤ変換器３７を介して入力ポート３５に入力される。更に入力ポート３５にはクランクシャフトが例えば１５°回転する毎に出力パルスを発生するクランク角センサ４７が接続される。一方、出力ポート３６は対応する駆動回路３８を介して燃料噴射弁３、スロットル弁１０の駆動用ステップモータ、尿素水供給弁１７、供給ポンプ１９、ＥＧＲ制御弁２２および燃料ポンプ２６に接続される。
酸化触媒１２は例えば白金のような貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１２は排気ガス中に含まれるＮＯをＮＯ2に転換する作用と排気ガス中に含まれるＨＣを酸化させる作用をなす。即ち、ＮＯ2はＮＯよりも酸化性が強く、従ってＮＯがＮＯ2に転換されるとパティキュレートフィルタ１３上に捕獲された粒子状物質の酸化反応が促進され、またＮＯx選択還元触媒１５でのアンモニアによる還元作用が促進される。パティキュレートフィルタ１３としては触媒を担持していないパティキュレートフィルタを用いることもできるし、例えば白金のような貴金属触媒を担持したパティキュレートフィルタを用いることもできる。一方、ＮＯx選択還元触媒１５は低温で高いＮＯx浄化率を有するアンモニア吸着タイプのＦｅゼオライトから構成することもできるし、アンモニアの吸着機能がないチタニア・バナジウム系の触媒から構成することもできる。酸化触媒１６は例えば白金からなる貴金属触媒を担持しており、この酸化触媒１６はＮＯx選択還元触媒１５から漏出したアンモニアを酸化する作用をなす。
さて、本発明による実施例では使用すべき正規の尿素水が予め定められており、この正規の尿素水の濃度は例えば３２．５％の一定値とされている。一方、機関の運転状態が定まると機関から排出されるＮＯx量は定まり、尿素水供給弁１７からは機関から排出されるＮＯxを還元するのに必要な量の尿素水、即ち機関から排出されるＮＯx量に対して当量比＝１となる量の尿素水が供給される。このとき、正規の尿素水が使用され、ＮＯx量に対して当量比＝１となる量の尿素水が供給され、ＮＯx選択還元触媒１５が劣化していない限り、ＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率は一定値、例えば９０％となる。
このような状態で例えば正規の尿素水が使用されず、正規の尿素水よりも濃度の低い尿素水が使用され、このとき正規の尿素水の供給時と同じ量の尿素水が供給されたとすると、ＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率は低下する。この場合のＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率は図２に示されるように使用される尿素水の濃度に正比例する。
一方、前述したように機関の運転状態が定まると機関から排出されるＮＯx量、正確に言うと機関から単位時間当り排出されるＮＯx量が定まり、従ってＮＯx選択還元触媒１５に単位時間当り流入するＮＯx量が定まる。これに対し、ＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx濃度に単位時間当りの排気ガス量、即ち単位時間当りの吸入空気量を乗算するとこの乗算結果はＮＯx選択還元触媒１５から浄化されることなく単位時間当り排出されるＮＯx量となる。従ってＮＯxセンサ４１によりＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率を検出できることになる。
さて、上述した如く、ＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率は図２に示されるように使用される尿素水の濃度に正比例する。一方、ＮＯxセンサ４１によりＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率を検出することができる。従ってＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx浄化率から尿素水タンク２０内の尿素水の濃度を推定することができることになる。
次に尿素水タンク２０内の尿素水の濃度を推定するための一実施例について説明する。この実施例では機関から単位時間当り排出されるＮＯx量ＮＯＸＡが機関の出力トルクＴＱおよび機関回転数Ｎの関数として図３に示すようなマップの形で予めＲＯＭ３２内に記憶されており、このマップから単位時間当りＮＯx選択還元触媒１５に流入するＮＯx量ＮＯＸＡが算出される。
一方、本発明による実施例では図４に示されるようにＮＯx浄化率を検出するための検出指令が間欠的に発せられる。この検出指令は機関運転中、一定時間毎に発生させるようにしてもよいし、機関運転が開始されてから機関の運転が停止されるまでに一回だけ発生させるようにしてもよい。この検出指令が発せられると図５に示される指令処理ルーチンが実行される。
指令処理ルーチンが実行されるとステップ５０において機関の運転状態が予め定められた検出運転状態となるまで待つ。この検出運転状態は機関からのＮＯx排出量が安定し、ＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が安定する機関の運転状態であってこの検出運転状態は機関の出力トルク、機関回転数およびＮＯx選択還元触媒１５の温度等に基づいて予め定められている。ステップ５０において機関の運転状態が検出運転状態であると判断されるとステップ５１に進んで検出実行命令が発せられる。即ち、図４に示されるように検出指令が発せられた後に機関の運転状態が最初に検出運転状態となったときに検出実行命令が発せられる。
検出実行命令が発生されると図６に示される検出実行処理ルーチンが実行される。即ち、まず初めにステップ６０においてＮＯxセンサ４１により排気ガス中のＮＯx濃度が検出される。次いでステップ６１では図３に示されるマップから算出されたＮＯx選択還元触媒１５への流入ＮＯx量と、ＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx濃度および吸入空気量から算出されたＮＯx選択還元触媒１５からの流出ＮＯx量を用いてＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が算出される。
次いでステップ６２ではこのＮＯx浄化率から図２に示される関係に基づいて尿素水の濃度Ｄが算出される。この実施例ではこのようにして尿素水の濃度が推定される。
ところで尿素水として正規の尿素水よりも濃度の低い尿素水が不正に使用されたり、或いは尿素水以外の液体、例えば水が不正に使用されるとＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が極度に低下し、大きな問題となる。そこで本発明による実施例ではＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx浄化率が低下したときには尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が異常に低下した異常状態であると推定し、警告を発するようにしている。
即ち、本発明による実施例では図６のステップ６３において尿素水の濃度Ｄが予め定められた限界濃度ＤＸ以下であるか否かが判別され、尿素水の濃度Ｄが限界濃度ＤＸよりも低いときにはステップ６４に進んで警告灯が点灯せしめられる。
さて、上述したようにＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が低下したときには尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が低下したと推定することができる。ところがＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率はＮＯx選択還元触媒１５が劣化した場合でも、或いは尿素水供給弁１７が目詰まり等の故障を生じた場合でも低下する。
しかしながら尿素水タンク２０内への尿素水の補充が行われた後にＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が低くなったときには尿素水として正規の尿素水よりも濃度の低い尿素水が不正に使用されたか、或いは尿素水以外の液体が不正に使用された可能性が極めて高い。従ってこのときには尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が低下することによってＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が低下したと推定することができる。
そこで以下に説明する第２実施例では、レベルセンサ４０によって尿素水タンク２０内に補充液が補充されたか否かを判別し、尿素水タンク２０内に補充液が補充されたと判断されたときに補充液の補充後に検出されたＮＯx浄化率が予め定められた許容レベル以下になった場合には検出されたＮＯx浄化率から尿素水タンク２０内の尿素水の濃度を推定するようにしている。
更に、この第２実施例では尿素水タンク２０内に補充液が補充されたと判断されたときに補充液の補充後に検出されたＮＯx浄化率が予め定められた許容レベル以下になったときには尿素水タンク２０内に尿素水の濃度が異常に低下した異常状態であると推定するようにしている。
図７（Ａ），（Ｂ）はこの第２実施例を説明するための検出実行命令の発生タイミングと尿素水タンク２０内の尿素水の液面のレベルの変化とを示している。図７（Ａ）は２つの検出実行命令の間において尿素水タンク２０内に補充液が補充された場合を示しており、図７（Ｂ）は２つの検出実行命令の間において尿素水タンク２０内に残留していた尿素水がドレインコック２９から外部に排出された後に尿素水タンク２０内に補充液が補充された場合を示している。
図８は尿素水タンク２０内に尿素水が補充されたことを検出するための検出ルーチンを示しており、このルーチンは短時間毎の割込みによって実行される。
図８を参照するとまず初めにステップ７０においてレベルセンサ４０により尿素水タンク２０内の尿素水のレベルＬが検出される。次いでステップ７１では検出された尿素水レベルＬが前回の割込み時に検出された尿素水レベルＬｏに対して一定値α以上高くなったか否かが判別される。Ｌ＞Ｌｏ＋αとなったときには尿素水タンク２０内に補充液が補充されたと判断され、ステップ７２に進んで補充作用が行われたことを示す補充フラグがセットされる。次いでステップ７３では尿素水レベルＬがＬｏとされる。
図８のステップ７１では補充量（Ｌ−Ｌｏ）が一定値αよりも大きいか否かを判別している。この場合、図７（Ａ）に示される場合には補充作用中、図８に示される検出ルーチンの実行が停止されても、実行され続けても補充量（Ｌ−Ｌｏ）が正確に検出される。しかしながら図７（Ｂ）に示される場合に補充量（Ｌ−Ｌｏ）を正確に検出するためには残留尿素中の排出中および補充用中、図８に示される検出ルーチンを実行させ続ける必要がある。
さて、図７（Ａ）或いは図７（Ｂ）に示される検出実行命令が発生されると図９に示される検出実行処理ルーチンが実行される。即ち、まず初めにステップ８０において補充フラグがセットされているか否かが判別される。補充フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。これに対し、補充フラグがセットされているとき、即ち尿素水タンク２０内への補充液の補充が行われたときにはステップ８１に進む。
ステップ８１ではＮＯxセンサ４１により排気ガス中のＮＯx濃度が検出される。次いでステップ８２では図３に示されるマップから算出されたＮＯx選択還元触媒１５への流入ＮＯx量と、ＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx濃度および吸入空気量から算出されたＮＯx選択還元触媒１５からの流出ＮＯx量を用いてＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率Ｒが算出される。
次いでステップ８３ではこのＮＯx浄化率Ｒが予め定められた許容レベルＲｏよりも低下したか否かが判別される。ＮＯx浄化率Ｒが許容レベルＲｏよりも低下したときには補充液の補充により尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が低下したと推定し、このＮＯx浄化率Ｒから図２に示される関係に基づいて尿素水の濃度Ｄが算出される。次いでステップ８５では尿素水の濃度Ｄが予め定められた限界濃度ＤＸ以下であるか否かが判別され、尿素水の濃度Ｄが限界濃度ＤＸよりも低いときにはステップ８６に進んで尿素水が異常であることを示す警告灯が点灯せしめられる。次いでステップ８７において補充フラグがリセットされる。
一方、ステップ８５においてＤ≧ＤＸであると判断されたときにはステップ８８に進んでＮＯx選択還元触媒１５が劣化したか、或いは尿素水供給弁１７等が故障を生じたと判断される。なお、図９からわかるようにＮＯx浄化率Ｒが低下したか否かの判断は補充フラグがセットされているときのみに行われ、この判断が完了すると補充フラグはリセットされる。従ってＮＯx浄化率Ｒが低下したか否かの判断は補充液が補充された後、最初に検出実行命令が発せられたときに一回だけなされることがわかる。
次に、ＮＯx浄化率が低下して尿素水の濃度が低下したと推定されたときに、尿素水の濃度が低下していないにもかかわらずに尿素水の濃度が低下したと誤認されるのを更に阻止するようにした第３実施例について説明する。
この第３実施例では、尿素水タンク２０内に補充液が補充されたときにこの補充液をアンモニア濃度が零の液体であると仮定し、このとき想定される補充後の尿素水タンク２０内の尿素水の想定濃度を算出し、この想定尿素水濃度を用いて尿素水の濃度が低下していないにもかかわらずに尿素水の濃度が低下したと誤認されるのを阻止するようにしている。
即ち、図１０（Ａ）に示されるように尿素水タンク２０内の尿素水の残量がＱｒのときにＱａ量の補充液が尿素水タンク２０内に補充されたとする。このとき尿素水タンク２０内の尿素水量は図１０（Ｂ）に示されるようにＱｒから（Ｑｒ＋Ｑａ）まで増大する。ここで補充液としてアンモニア濃度が零の補充液が用いられた最悪の状態を想定すると尿素水タンク２０内の尿素水の濃度は正規の濃度ＤｂからＤｂ・Ｑｒ／（Ｑｒ＋Ｑａ）で表される想定尿素水濃度まで低下することになる。この想定尿素水濃度Ｄｅ・Ｑｒ／（Ｑｒ＋Ｑａ）は残量Ｑｒに対する補充量Ｑａが多くなるほど低くなる。
残量Ｑｒに比べて補充量Ｑａが少ないとき、即ち想定尿素水濃度がさほど低くないときにＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が許容レベル以下に低下したときには尿素水タンク２０内の尿素水の濃度の低下によってＮＯx浄化率が低下したとは言い難い。これに対し、残量Ｑｒに比べて補充量Ｑａが多いとき、即ち想定尿素水濃度が低いときにＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率が許容レベル以下に低下したときには尿素水タンク２０内の尿素水の濃度の低下によってＮＯx浄化率が低下した可能性が極めて高い。
そこでこの第３実施例では、レベルセンサ４０によって尿素水タンク２０内に補充液が補充されたか否かを判別されると共に、補充液をアンモニア濃度が零の液体であると仮定したときに想定される補充後の尿素水タンク２０内の尿素水の想定濃度が算出され、尿素水タンク２０内に補充液が補充されたと判断されたときに補充液の補充後に検出されたＮＯx浄化率が予め定められた許容レベル以下になりかつ尿素水の想定濃度が予め定められた許容濃度以下になったときには尿素水タンク内の尿素水の濃度が異常に低下した異常状態であると推定するようにしている。
図１１は尿素水タンク２０内に尿素水が補充されたことを検出するための検出ルーチンを示しており、このルーチンは短時間毎の割込みによって実行される。
図１１を参照するとまず初めにステップ９０においてレベルセンサ４０により尿素水タンク２０内の尿素水のレベルＬが検出される。次いでステップ９１では検出された尿素水レベルＬが前回の割込み時に検出された尿素水レベルＬｏに対して一定値α以上高くなったか否かが判別される。Ｌ＞Ｌｏ＋αとなったときには尿素水タンク２０内に補充液が補充されたと判断され、ステップ９２に進んで補充作用が行われたことを示す補充フラグがセットされる。
次いでステップ９３では前回の割込み時に検出された尿素水レベルＬｏに尿素水タンク２０の断面積Ｓを乗算することによって残量Ｑｒ（＝Ｌｏ・Ｓ）が算出され、次いでステップ９４では尿素水レベルの増大量（Ｌ−Ｌｏ）に尿素水タンク２０の断面積Ｓを乗算することによって補充量Ｑａ（＝（Ｌ−Ｌｏ）・Ｓ）が算出される。次いでステップ９５では想定尿素水濃度Ｄｅ（＝Ｄｂ・Ｑｒ／（Ｑｒ＋Ｑａ））が算出される。次いでステップ９６では尿素水レベルＬがＬｏとされる。
さて、図１０（Ａ）に示される検出実行命令が発生されると図１２に示される検出実行処理ルーチンが実行される。即ち、まず初めにステップ１００において補充フラグがセットされているか否かが判別される。補充フラグがセットされていないときには処理サイクルを完了する。これに対し、補充フラグがセットされているとき、即ち尿素水タンク２０内への補充液の補充が行われたときにはステップ１０１に進む。
ステップ１０１ではＮＯxセンサ４１により排気ガス中のＮＯx濃度が検出される。次いでステップ１０２では図３に示されるマップから算出されたＮＯx選択還元触媒１５への流入ＮＯx量と、ＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx濃度および吸入空気量から算出されたＮＯx選択還元触媒１５からの流出ＮＯx量を用いてＮＯx選択還元触媒１５によるＮＯx浄化率Ｒが算出される。
次いでステップ１０３ではこのＮＯx浄化率Ｒが予め定められた許容レベルＲｏよりも低下したか否かが判別される。ＮＯx浄化率Ｒが許容レベルＲｏよりも低下したときにはステップ１０４に進んで想定尿素水濃度Ｄｅが予め定められた許容濃度ＤＸ以下であるか否かが判別される。想定尿素水濃度Ｄｅが許容濃度ＤＸよりも低下したときにはステップ１０５に進んで尿素水が異常であることを示す警告灯が点灯され、次いでステップ１０６において補充フラグがリセットされる。
一方、ステップ１０４においてＤｅ≧ＤＸであると判断されたときにはステップ１０７に進んでＮＯx選択還元触媒１５が劣化したか、或いは尿素水供給弁１７等が故障を生じたと判断される。なお、この第３実施例でも図１２からわかるようにＮＯx浄化率Ｒが低下したか否かの判断は補充フラグがセットされているときのみに行われ、この判断が完了すると補充フラグはリセットされる。従ってこの第３実施例においてもＮＯx浄化率Ｒが低下したか否かの判断は補充液が補充された後、最初に検出実行命令が発せられたときに一回だけなされる。
ところで尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が低下すればＮＯxセンサ４１により検出されるＮＯx浄化率が低下する。ところがＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx浄化率はＮＯxセンサ４１が劣化した場合でも、ＮＯx選択還元触媒１５が劣化した場合でも、或いは尿素水供給弁１７が目詰まり等の不具合を生じた場合にも低下する。従ってＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx浄化率の低下から尿素水タンク２０内の尿素水の濃度の低下を検出するようにした場合には、ＮＯxセンサ４１の劣化、ＮＯx選択還元触媒１５の劣化および尿素水供給弁１７の不具合がＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx浄化率に与える影響を除去する必要がある。
そこで以下に述べる第４実施例では、ＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率からＮＯxセンサ４１の劣化により生ずる検出ＮＯx浄化率の低下分を含まない尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求め、ＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率からＮＯx選択還元触媒１５の劣化により生ずるＮＯx浄化率の低下分を含まない尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求め、ＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率から尿素水供給弁１７の不具合により生ずるＮＯx浄化率の低下分を含まない尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求め、この尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率から尿素水タンク２０内の尿素水の濃度を推定するようにしている。
もう少し具体的に説明すると、ＮＯxセンサ４１により検出される検出ＮＯx浄化率はＮＯxセンサ４１の劣化度合が大きくなるにつれて低下し、従って図１３（Ａ）に示されるようにＮＯxセンサ４１により検出される検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡはＮＯxセンサ４１の劣化度合が大きくなるにつれて次第に低下する。なお、このＮＯx浄化率の低下率ＲＡの具体的な求め方については後に説明する。
ところでこの場合、本発明による実施例ではＮＯxセンサ４１の劣化度合からＮＯxセンサ４１の劣化に起因する検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡが求められ、ＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率とこのＮＯx浄化率の低下率ＲＡからＮＯxセンサ４１が劣化していないときの尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率が求められ、即ちＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率をＮＯx浄化率の低下率ＲＡでもって除算することにより尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率が求められ、この尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率から尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が推定される。
また、ＮＯxセンサ４１により検出される検出ＮＯx浄化率はＮＯx選択還元触媒１５の劣化度合が大きくなるにつれて低下し、従って図１３（Ｂ）に示されるようにＮＯxセンサ４１により検出される検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＢはＮＯx選択還元触媒１５の劣化度合が大きくなるにつれて次第に低下する。なお、このＮＯx浄化率の低下率ＲＢの具体的な求め方についても後に説明する。
ところでこの場合にも、本発明による実施例ではＮＯx選択還元触媒１５の劣化度合からＮＯx選択還元触媒１５の劣化に起因するＮＯx浄化率の低下率ＲＢが求められ、ＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率とこのＮＯx浄化率の低下率ＲＢからＮＯx選択還元触媒１５が劣化していないときの尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率が求められ、即ちＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率をＮＯx浄化率の低下率ＲＢでもって除算することにより尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率が求められ、この尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率から尿素水タンク２０内の尿素水の濃度が推定される。
また、ＮＯxセンサ４１により検出される検出ＮＯx浄化率は尿素水供給弁１７の不具合の度合が大きくなるにつれて低下し、従って図１３（Ｃ）に示されるようにＮＯxセンサ４１により検出される検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣは尿素水供給弁１７の不具合の度合が大きくなるにつれて次第に低下する。なお、このＮＯx浄化率の低下率ＲＣの具体的な求め方についても後に説明する。
ところでこの場合にも、本発明による実施例では尿素水供給弁１７の不具合の度合から尿素水供給弁１７の不具合に起因するＮＯx浄化率の低下率ＲＣが求められ、ＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率とこのＮＯx浄化率の低下率ＲＣから尿素水供給弁１７が正常であるときの尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率が求められ、即ちＮＯxセンサ４１により検出された検出ＮＯx浄化率をＮＯx浄化率の低下率ＲＣでもって除算することにより尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率が求められ、この尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率から尿素水タンク内の尿素水の濃度が推定される。
次に各検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡ，ＲＢ，ＲＣの具体的な求め方について順次説明する。
まず初めに検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡについて説明すると、ＮＯxセンサ４１内に内蔵されているＮＯxセンサ加熱用のヒータの通電時間が長くなるほどＮＯxセンサ４１は劣化し、従ってＮＯxセンサ加熱用のヒータの通電時間の積算値が大きくなるほど検出ＮＯx浄化率は低下する。このヒータ通電時間の積算値と検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡとの関係は図１４（Ａ）に示されるように予め実験により求められており、従って第１の例では検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡは図１４（Ａ）に示す関係から求められる。
また、第２の例では図１４（Ｂ）に示されるように検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡが車両の走行距離の関数として予め実験により求められており、図１４（Ｂ）に示される関係から検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡが求められる。また、機関から排出されるＮＯx量を推定するためのモデルを具えており、このモデルから算出されるＮＯx量とＮＯxセンサ４１の出力とを比較してＮＯxセンサ４１の劣化の度合を求め、この劣化の度合から図１３（Ａ）に基づいて検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡを求めることもできる。
また、図１５に示されるようにＮＯx選択還元触媒１５の上流にもう一つのＮＯxセンサ４３を配置し、ＮＯx選択還元触媒１５がＮＯxの浄化作用を行っていないとき、例えばＮＯx選択還元触媒１５の温度が低いときに各ＮＯxセンサ４１，４３の出力を比較してＮＯxセンサ４１の劣化度合を求めることもできる。即ち、このように二つのＮＯxセンサ４１，４３を配置するといずれか一方のＮＯxセンサは正常であると考えられ、ＮＯxセンサ４１の出力がＮＯxセンサ４３の出力よりも低いときにはＮＯxセンサ４１が劣化していると判断される。この場合、この劣化の度合から図１３（Ａ）に示す関係に基づいて検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡが求められる。
次に検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＢについて説明すると、ＮＯx選択還元触媒１５は高温に晒されている時間が長いほど劣化し、この場合晒されている温度が高温ほど劣化する。従ってＮＯx選択還元触媒１５は触媒温度とその温度に晒されている時間の積の積算値が大きくなるほど劣化することになる。また、ＮＯx選択還元触媒１５は排気ガス中に含まれる硫黄による被毒を受け、ＮＯx選択還元触媒１５はこの硫黄被毒量が増大するほど劣化する。
本発明による実施例では図１６（Ａ）に示されるように検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＢ１が触媒温度とこの温度に晒されている時間との積の積算値の関数として予め実験により求められており、図１６（Ｂ）に示されるように検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＢ２が硫黄被毒量の関数として予め実験により求められており、これらＲＢ１とＲＢ２を乗算することによって検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＢ（＝ＲＢ１・ＲＢ２）が求められる。
次に検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣについて説明すると、第１の例では図１７（Ａ）に示されるように尿素水供給弁１７に尿素水の噴射圧を検出するための圧力センサ４４が取付けられている。尿素水供給弁１７から尿素水が噴射されると圧力センサ４４により検出される尿素水の噴射圧は図１７（Ｂ）に示されるようにΔＰだけ一時的に低下する。この場合、尿素水供給弁１７が目詰まり等の不具合を生じて噴射量が低下するとΔＰは小さくなる。従ってこの第１の例ではこのΔＰの値から尿素水供給弁１７の不具合の度合が求められ、この不具合の度合から図１３（Ｃ）に示す関係に基づいて検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣが求められる。
図１８に示される第２の例では尿素水供給弁１７に供給される尿素水の流量を検出するための流量計４８が供給管１８内に配置されている。この場合、尿素水供給弁１７が目詰まり等の不具合を生じて噴射量が低下すると尿素水の流量が減少する。従ってこの第２の例では尿素水の流量減少量から尿素水供給弁１７の不具合の度合が求められ、この不具合の度合から図１３（Ｃ）に示す関係に基づいて検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣが求められる。
図１９（Ａ）に示される第３の例では温度センサ４９の検出部に向けて尿素水供給弁１７から尿素水Ｆが噴射される。尿素水供給弁１７から尿素水が噴射されると温度センサ４９により検出される排気ガスの温度Ｔは図１９（Ｂ）に示されるようにΔＴだけ一時的に低下する。この場合、尿素水供給弁１７が目詰まり等の不具合を生じて噴射量が低下するとΔＴは小さくなる。従ってこの第３の例ではこのΔＴの値から尿素水供給弁７の不具合の度合が求められ、この不具合の度合から図１３（Ｃ）に示す関係に基づいて検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣが求められる。
図２０に、図５に示すルーチンにおいて実行命令が発生したときに実行される実行処理ルーチンを示す。
図２０を参照するとまず初めにステップ１１０においてこれまで説明したいずれかの検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡが算出され、次いでステップ１１１においてこれまで説明したいずれかの検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＢが算出される。次いでステップ１１２においてこれまで説明したいずれかの検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣが算出される。
次いでステップ１１３ではＮＯxセンサ４１により排気ガス中のＮＯx濃度が検出され、次いでステップ１１４では図３に示されるマップから算出されたＮＯx選択還元触媒１５への流入ＮＯx量と、ＮＯxセンサ４１により検出されたＮＯx濃度および吸入空気量から算出されたＮＯx選択還元触媒１５からの流出ＮＯx量を用いてＮＯx選択還元触媒１５による実際のＮＯx浄化率Ｗｉが算出される。
次いでステップ１１５では実際のＮＯx浄化率Ｗｉを各検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡ，ＲＢ，ＲＣにより除算することによって目標とするＮＯx浄化率Ｗｏ（＝Ｗｉ／（ＲＡ・ＲＢ・ＲＣ））が算出される。次いでステップ１１６ではこのＮＯx浄化率Ｗｏから図２に示される関係に基づいて尿素水の濃度Ｄが算出される。次いでステップ１１７では尿素水の濃度Ｄが予め定められた限界濃度ＤＸ以下であるか否かが判別され、尿素水の濃度Ｄが限界濃度ＤＸよりも低いときにはステップ１１８に進んで警告灯が点灯せしめられる。
圧縮着火式内燃機関の全体図である。 ＮＯx浄化率と尿素水濃度との関係を示す図である。 機関から排出されるＮＯx量ＮＯＸＡのマップを示す図である。 検出指令および検出実行命令の発生タイミングを示す図である。 検出指令が発せられたときに実行されるフローチャートである。 検出実行命令が発せられたときに実行されるフローチャートである。 尿素水レベルの変化を示すタイムチャートである。 尿素水が補充されたことを検出するためのフローチャートである。 検出実行命令が発せられたときに実行されるフローチャートである。 尿素水レベルの変化と想定尿素水濃度を示す図である。 尿素水が補充されたことを検出するためのフローチャートである。 検出実行命令が発せられたときに実行されるフローチャートである。 検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡ，ＲＢ，ＲＣの変化を示す図である。 検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡを求めるための第１の例を説明するための図である。 検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＡを求めるための別の例を説明するための図である。 検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＢを求めるための一例を説明するための図である。 検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣを求めるための第１の例を説明するための図である。 検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣを求めるための第２の例を説明するための図である。 検出ＮＯx浄化率の低下率ＲＣを求めるための第３の例を説明するための図である。 検出実行命令が発せられたときに実行されるフローチャートである。
符号の説明
４ 吸気マニホルド
５ 排気マニホルド
１２，１６ 酸化触媒
１３ パティキュレートフィルタ
１５ ＮＯx選択還元触媒
１７ 尿素水供給弁
２０ 尿素水タンク
４０ レベルセンサ
４１ ＮＯxセンサ

Claims (11)

  1. 機関排気通路内にＮＯx選択還元触媒を配置し、尿素水タンク内に貯留された尿素水を該ＮＯx選択還元触媒に供給して該尿素水から発生するアンモニアにより排気ガス中に含まれるＮＯxを選択的に還元するようにした内燃機関の排気浄化装置において、該ＮＯx選択還元触媒によるＮＯx浄化率を検出するためにＮＯx選択還元触媒下流の機関排気通路内にＮＯxセンサを配置し、検出された該ＮＯx浄化率から尿素水タンク内の尿素水の濃度を推定するようにした内燃機関の排気浄化装置。
  2. 検出されたＮＯx浄化率が低下したときには尿素水タンク内の尿素水の濃度が異常に低下した異常状態であると推定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  3. 尿素水タンク内の液面の高さを検出するためのレベルセンサを具備しており、該レベルセンサによって尿素水タンク内に補充液が補充されたか否かが判別され、尿素水タンク内に補充液が補充されたと判断されたときに補充液の補充後に検出されたＮＯx浄化率が予め定められた許容レベル以下になった場合には検出された該ＮＯx浄化率から尿素水タンク内の尿素水の濃度を推定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  4. 尿素水タンク内に補充液が補充されたと判断されたときに補充液の補充後に検出されたＮＯx浄化率が予め定められた許容レベル以下になったときには尿素水タンク内の尿素水の濃度が異常に低下した異常状態であると推定するようにした請求項３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  5. 尿素水タンク内の液面の高さを検出するためのレベルセンサを具備しており、該レベルセンサによって尿素水タンク内に補充液が補充されたか否かが判別されると共に、該補充液をアンモニア濃度が零の液体であると仮定したときに想定される補充後の尿素水タンク内の尿素水の想定濃度が算出され、尿素水タンク内に補充液が補充されたと判断されたときに補充液の補充後に検出されたＮＯx浄化率が予め定められた許容レベル以下になりかつ上記尿素水の想定濃度が予め定められた許容濃度以下になったときには尿素水タンク内の尿素水の濃度が異常に低下した異常状態であると推定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  6. ＮＯxセンサにより検出された検出ＮＯx浄化率からＮＯxセンサの劣化により生ずる検出ＮＯx浄化率の低下分を含まない尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求め、該尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率から尿素水タンク内の尿素水の濃度を推定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  7. ＮＯxセンサの劣化に起因する検出ＮＯx浄化率の低下率を求め、ＮＯxセンサにより検出された検出ＮＯx浄化率と該ＮＯx浄化率の低下率からＮＯxセンサが劣化していないときの上記尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求めるようにした請求項６に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  8. ＮＯxセンサにより検出された検出ＮＯx浄化率からＮＯx選択還元触媒の劣化により生ずるＮＯx浄化率の低下分を含まない尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求め、該尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率から尿素水タンク内の尿素水の濃度を推定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  9. ＮＯx選択還元触媒の劣化に起因するＮＯx浄化率の低下率を求め、ＮＯxセンサにより検出された検出ＮＯx浄化率と該ＮＯx浄化率の低下率からＮＯx選択還元触媒が劣化していないときの上記尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求めるようにした請求項８に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  10. ＮＯxセンサにより検出された検出ＮＯx浄化率から尿素水供給弁の不具合により生ずるＮＯx浄化率の低下分を含まない尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求め、該尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率から尿素水タンク内の尿素水の濃度を推定するようにした請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
  11. 尿素水供給弁の不具合に起因するＮＯx浄化率の低下率を求め、ＮＯxセンサにより検出された検出ＮＯx浄化率と該ＮＯx浄化率の低下率から尿素水供給弁が正常であるときの上記尿素水濃度推定用ＮＯx浄化率を求めるようにした請求項１０に記載の内燃機関の排気浄化装置。
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