JP5170689B2

JP5170689B2 - 内燃機関の排気浄化装置

Info

Publication number: JP5170689B2
Application number: JP2009005783A
Authority: JP
Inventors: 俊祐利岡; 富久小田; 正明佐藤; 慎也浅浦
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2029-01-14
Also published as: JP2010163923A

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

内燃機関の排出する排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する排気浄化装置として、尿素選択還元排気浄化装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この排気浄化装置は、排気通路に選択還元触媒（ＳＣＲ）を備える触媒コンバータと、その上流側に設けられた尿素水添加弁とを備える。選択還元触媒は、その触媒担体に、酸化バナジウムなどの触媒金属を担持している。排気通路に尿素水を添加すると、排気ガスの熱により、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成され、このアンモニアとＮＯｘが選択還元触媒においてＮＯｘと脱硝反応して窒素と水が生成される。

特開２００３−３０１７３７号公報

ところで、尿素選択還元排気浄化装置においては、ＮＯｘの浄化率が一定の範囲に保たれていることを常時監視する必要がある。このため、例えば、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサを排気通路の触媒コンバータの下流側に設け、ＮＯｘを浄化した後の排気ガスのＮＯｘ濃度をモニターし、ＮＯｘの浄化率が低下した場合には、異常と判断する。

しかしながら、上記のようにＮＯｘ浄化率の異常を触媒コンバータの下流側に配置したＮＯｘセンサで検出する方法では、ＮＯｘ浄化率の異常の原因が、選択還元触媒の異常、尿素水の濃度異常又は尿素水添加量の異常（すなわち、尿素添加弁の異常）かどうかを個別に検出することが困難であった。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、ＮＯｘ浄化率の異常が発生した際に、その異常原因を検出可能な尿素選択還元タイプの排気浄化装置を提供することにある。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置は、内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスに含まれるＮＯｘを尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、前記排気通路の前記選択還元触媒の上流側から前記選択還元触媒に向けて尿素水を添加する尿素水添加弁とを備える内燃機関の排気浄化装置であって、前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率が低下したときの異常原因を検出するために、前記排気通路の前記尿素水添加弁の下流側でかつ前記選択還元触媒の上流側にＮＯｘセンサが設けられている。

上記構成において、前記ＮＯｘセンサの検出信号を利用して、前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の低下及びその異常原因を検出する異常検出手段をさらに有する、構成を採用できる。

上記構成において、前記異常検出手段は、前記ＮＯｘセンサの検出信号と、検出した又は推定した前記選択還元触媒の下流側のＮＯｘ濃度とに基いて、前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の低下を検出する、構成を採用できる。

上記構成において、前記異常検出手段は、前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の低下を検出した際に、前記ＮＯｘセンサの検出信号と、検出した又は推定した前記尿素水添加弁の上流側のＮＯｘ濃度とに基いて、前記選択還元触媒へ供給されるアンモニア量を推定し、推定したアンモニア量に基いて、尿素水添加量の異常及び添加される尿素水濃度の異常を検出する、構成を採用できる。

上記構成において、前記異常検出手段は、尿素水濃度が正常な場合に、推定した前記アンモニア量に基いて、尿素添加量が正常かを判断し、異常と判断した場合には、前記尿素水添加弁の尿素水の添加量を補正する、構成を採用できる。

上記構成において、前記尿素水添加弁の尿素水の添加量を補正した後にＮＯｘ浄化率が正常化されない場合には、前記選択還元触媒が異常と判断する、構成を採用できる。

上記構成において、前記異常検出手段は、尿素水の添加量が正常な場合に、推定したアンモニア量に基いて、尿素水の濃度が正常かを判別し、当該尿素水の濃度が正常な場合には、前記選択還元触媒が異常と判断する、構成を採用できる。

上記前記異常検出手段は、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成されるための所定の条件を満たす場合に、前記アンモニア量を推定する、構成を採用できる。

本発明によれば、尿素選択還元型の排気浄化装置において、ＮＯｘ浄化率の異常が検出された際に、その異常原因を検出可能となる。

本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。ＥＣＵによる排気浄化装置の異常検出処理の一例を示すフローチャートである。ＥＣＵによる排気浄化装置の異常検出処理の他の例を示すフローチャートである。

以下、本発明の好適一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
図１は本発明の一実施形態に係る内燃機関の排気浄化装置の構成図である。
図１において、内燃機関１は、例えば、ディーゼルエンジンである。この内燃機関１の排気通路１０には、上流側から、酸化触媒コンバータ３０、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ）４０、尿素水添加弁６２及び選択還元触媒コンバータ５０が設けられている。また、排気通路１０には、排気ガスＥＧ中の窒素酸化物（ＮＯｘ）の濃度を検出するＮＯｘセンサ７０Ａ，７０Ｂ及び７０Ｃが設けられている。ＮＯｘセンサ７０Ａは、尿素水添加弁６２の下流側でかつ選択還元触媒コンバータ５０の上流側に設けられている。ＮＯｘセンサ７０Ｂは、選択還元触媒コンバータ５０の下流側に設けられている。ＮＯｘセンサ７０Ｃは、尿素水添加弁６２の上流側に設けられている。

酸化触媒コンバータ３０は、後段のＤＰＦ４０等に供給される排気ガスＥＧの温度を昇温させるために排気ガスＥＧ中の未燃燃料等を酸化する触媒金属等からなる酸化触媒を担持している。

ＤＰＦ４０は、排気ガスＥＧに含まれる粒子状物質（ＰＭ）を捕集するフィルタである。ＤＰＦ４０の構造は、周知のように、例えば、金属やセラミクス製のハニカム体で構成されている。ＤＰＦ４０は、ＰＭが所定量堆積すると再生処理が必要である。具体的には、たとえば、酸化触媒コンバータ３０を昇温により活性化させ、酸化触媒コンバータ３０の酸化作用により昇温された排気ガスＥＧをＤＰＦ４０に供給する。これにより、捕集したＰＭが燃焼処理され、フィルタ機能が再生される。また、ＤＰＦ４０は、触媒金属からなる酸化触媒を担持する構成としてもよい。

尿素水添加弁６２は、尿素タンク６０に接続され、尿素タンク６０から供給された所定の濃度の尿素水６３を選択還元触媒コンバータ５０に向けて排気通路１０に添加する。尿素水添加弁６２は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）１００からの制御指令に応じた添加量を添加するようになっている。排気通路１０に添加された尿素水は、排気ガスＥＧの熱により、加水分解されてアンモニアが生成される。

選択還元触媒コンバータ５０は、尿素水添加弁６２から添加される尿素水から生成されるアンモニアを還元剤として用いて、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘを選択的に還元して窒素ガスと水にする。この選択還元触媒コンバータ５０は、周知の構造であり、例えば、Ｓｉ、Ｏ、Ａｌを主成分とすると共にＦｅイオンを含むゼオライトから構成されたものや、例えば、酸化アルミニウムアルミナからなる基材の表面にバナジウム触媒（Ｖ_２Ｏ_５）などの触媒金属を担持させたものなどを用いることができるが、特に、これらに限定されるわけではない。

ＥＣＵ１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory）等のバックアップ用メモリ、Ａ／Ｄ変換器やバッファ等を含む入力インターフェース回路、駆動回路等を含む出力インターフェース回路を含むハードウエアと所要のソフトウエアで構成される。このＥＣＵ１００には、３つのＮＯｘセンサ７０Ａ〜７０Ｃの検出信号が入力されるとともに、尿素水添加弁６２に制御信号を出力する。なお、ＥＣＵ１００の処理内容については後述する。

次に、ＥＣＵ１００による排気浄化装置の異常検出処理の一例について図２に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図２に示す処理ルーチンは、内燃機関１の始動後に、例えば、所定時間毎に実行される。

先ず、選択還元触媒コンバータ５０で浄化された排気ガスＥＧのＮＯｘ浄化率が所定範囲よりも低下しているかを判断する（ステップＳ１）。これは、たとえば、選択還元触媒コンバータ５０の下流側のＮＯｘセンサ７０Ｂの検出値と、選択還元触媒コンバータ５０の上流側のＮＯｘセンサ７０Ａ又は７０Ｃの検出値とから判断することができる。すなわち、選択還元触媒コンバータ５０の上流側と下流側のＮＯｘ濃度を検出することにより、排気浄化装置のＮＯｘの浄化率を算出でき、この値が所定範囲に収まっているかにより判断できる。

ステップＳ１において、ＮＯｘ浄化率が所定範囲にある場合には、処理を終了し、ＮＯｘ浄化率が低下して所定範囲外にあると判断したときは、排気浄化装置に異常が発生したと判断し、この異常原因を検出するために、先ず、尿素水添加弁６２から添加される尿素水６３の濃度が正常かを判断する（ステップＳ２）。尿素水濃度の異常を検出するには、例えば、尿素タンク６０等に尿素水異常センサを設けることができるが、装置の簡素化のために、例えば、尿素タンク６０への尿素水補充直後、尿素タンク６０の交換直後などにおいて、ＮＯｘ浄化率が低下していないか判断することにより、尿素水濃度が正常か否かを判断できる。

ステップＳ２において、尿素水濃度が異常と判断した場合には、尿素水異常を検出する（ステップＳ９）。すなわち、ＮＯｘ浄化率の低下の原因が、尿素水濃度の異常と判断される。

ステップＳ２において、尿素水濃度が正常と判断した場合には、尿素水添加弁６２の下流側と上流側のＮＯｘセンサ７０Ａ，７０Ｃの検出信号を用いて、現在選択還元触媒コンバータ５０に添加されているアンモニア量を推定する（ステップＳ３）。ここで、尿素水添加弁６２の下流側のＮＯｘセンサ７０Ａは、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘと、尿素水の加水分解により生成されたアンモニアの双方を検出する。一方、尿素水添加弁６２の上流側のＮＯｘセンサ７０Ｃは、排気ガスＥＧに含まれるＮＯｘのみを検出する。したがって、ＮＯｘセンサ７０Ａの検出値とＮＯｘセンサ７０Ｃの検出値との差から、選択還元触媒コンバータ５０に添加されるアンモニアの量を推定できる。なお、選択還元触媒コンバータ５０に添加されるアンモニアの量をより精度良く推定するためには、尿素水６３の加水分解が十分に進んだ状態におけるＮＯｘセンサ７０Ａの検出値を用いることが好ましい。尿素水６３の加水分解が十分に進んだ状態とは、例えば、排気ガスＥＧの温度が加水分解に必要な所定温度を超えた状態などである。

次いで、ステップＳ３において推定されたアンモニア量を用いて、尿素水添加弁６２から添加されている実尿素水添加量を算出する（ステップＳ４）。すなわち、推定されたアンモニア量と尿素水６３の濃度とに基いて、実尿素水添加量が算出される。

次いで、ステップＳ４において算出した実尿素水添加量と尿素水添加弁６２に対するＥＣＵ１００からの添加指示値との差を算出し、この差と所定の閾値とを比較する（ステップＳ５）。実尿素水添加量と添加指示値との差が所定の閾値よりも小さい場合には、実尿素水添加量は正常と判断し、後述するステップＳ７の処理を実行する。

ステップＳ５において、実尿素水添加量と添加指示値との差が所定の閾値よりも大きい場合には、尿素水６３の添加量異常と判断する。すなわち、尿素水添加弁６２の誤作動等により、適切な量の尿素水が添加されていないと判断する。このため、実尿素水添加量と添加指示値との差に基いて、実尿素水添加量が適正な量になるように尿素水の添加指示値を補正する（ステップＳ６）。

次いで、排気浄化装置で浄化された排気ガスＥＧのＮＯｘ浄化率が正常化したかを判断する（ステップＳ７）。これは、ステップＳ１で説明したのと同様の方法で判断できる。ステップＳ６における実尿素水添加量の補正により、排気ガスＥＧのＮＯｘ浄化率が正常化した場合には、尿素水添加量の異常は解消されたと判断でき、処理を終了する。

ステップＳ７において、排気ガスＥＧのＮＯｘ浄化率が正常化しない場合には、選択還元触媒コンバータ５０の異常を検出する（ステップＳ８）。すなわち、尿素水の濃度が正常であり、かつ、尿素水の添加量が正常であるにも関わらず、排気ガスＥＧのＮＯｘ浄化率が正常化しない場合には、選択還元触媒コンバータ５０に異常が存在すると判断できる。

本実施形態では、ＮＯｘ浄化率の低下及びその異常原因を検出するために、ＮＯｘセンサ７０Ａを尿素水添加弁６２の下流でかつ選択還元触媒コンバータ５０の上流に配置し、選択還元触媒コンバータ５０に供給されるアンモニア量を推定することにより、ＮＯｘ浄化率が低下する異常の原因を特定することが可能になる。

本実施形態では、選択還元触媒コンバータ５０の下流及び尿素水添加弁６２の上流にもＮＯｘセンサ７０Ｂ，７０Ｃを配置する構成としたが、これらの代わりに、ＥＣＵ１００においてＮＯｘ推定モデルを構成し、選択還元触媒コンバータ５０の下流及び／又は尿素水添加弁６２の上流のＮＯｘ濃度を推定する構成とする構成とすることも可能である。

次に、ＥＣＵ１００による排気浄化装置の異常検出処理の他の例について図３に示すフローチャートを参照して説明する。なお、図３に示す処理ルーチンは、内燃機関１の始動後に、例えば、所定時間毎に実行される。

先ず、排気浄化装置で浄化された排気ガスＥＧのＮＯｘ浄化率が所定範囲よりも低下しているかを判断する（ステップＳ１１）。これは、上記したステップＳ１と同様の処理により判断できる。

ステップＳ１１において、ＮＯｘ浄化率が所定範囲にある場合には、処理を終了し、ＮＯｘ浄化率が低下して所定範囲外にあると判断したときは、排気浄化装置に異常が発生したと判断し、この異常原因を検出するために、先ず、尿素水添加弁６２が正常かを判断する（ステップＳ１２）。これは、例えば、流量計を尿素水添加システムに設けて尿素添加量を測ることにより判断できる。また、尿素水添加弁６２における添加圧力を測定することによっても尿素水添加弁６２が正常に動作しているかを判断することができる。

ステップＳ１２において、尿素水添加弁６２が正常に動作していないと判断した場合には、尿素水添加弁異常を検出する（ステップＳ１８）。ステップＳ１２において、尿素水添加弁６２が正常に動作していると判断した場合には、尿素水添加弁６２の下流側と上流側のＮＯｘセンサ７０Ａ，７０Ｃの検出信号を用いて、現在選択還元触媒コンバータ５０に添加されているアンモニア量を推定する（ステップＳ１３）。この処理は、上記したステップＳ３と同様の処理である。

次いで、尿素水添加弁６２に対する指示添加量と推定したアンモニア量から、尿素水添加弁６２から添加される尿素水６３の濃度を算出する（ステップＳ１４）。

次いで、ステップＳ１４において算出した尿素水添加弁６２から添加される尿素水６３の濃度が基準値の範囲内であるかを判断する（ステップＳ１５）。尿素水６３の濃度が基準値の範囲内であると判断した場合には、尿素水添加量及び尿素水濃度のいずれも異常がないので、選択還元触媒コンバータ５０の異常が検出される（ステップＳ１６）。また、尿素水６３の濃度が基準値の範囲外にあるときは、尿素水濃度の異常と判定する（ステーションＳ１７）。

本実施形態によれば、ＮＯｘセンサ７０Ａを尿素水添加弁６２の下流でかつ選択還元触媒コンバータ５０の上流に配置し、選択還元触媒コンバータ５０に供給されるアンモニア量を推定することにより、ＮＯｘ浄化率が低下する異常を検出した場合に、ＮＯｘ浄化率が低下する異常の原因を特定することが可能になる。

１…内燃機関
１０…排気通路
３０…酸化触媒コンバータ
４０…ＤＰＦ
５０…選択還元触媒コンバータ
６０…尿素タンク
６２…尿素水添加弁
６３…尿素水
１００…ＥＣＵ
ＥＧ…排気ガス

Claims

内燃機関の排気通路に設けられ、排気ガスに含まれるＮＯｘを尿素水が加水分解されて生成されるアンモニアを還元剤として選択的に還元する選択還元触媒と、前記排気通路の前記選択還元触媒の上流側から前記選択還元触媒に向けて尿素水を添加する尿素水添加弁とを備える内燃機関の排気浄化装置であって、
前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率が低下したときの異常原因を検出するために、前記排気通路の前記尿素水添加弁の下流側でかつ前記選択還元触媒の上流側にＮＯｘセンサが設けられており、
前記ＮＯｘセンサの検出信号を利用して、前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の低下及びその異常原因を検出する異常検出手段をさらに有し、
前記異常検出手段は、前記選択還元触媒のＮＯｘ浄化率の低下を検出した際に、前記ＮＯｘセンサの検出信号と、検出した又は推定した前記尿素水添加弁の上流側のＮＯｘ濃度とに基いて、前記選択還元触媒へ供給されるアンモニア量を推定し、推定したアンモニア量に基いて、尿素水添加量の異常、または、添加される尿素水濃度の異常を検出することを特徴とすることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
前記異常検出手段は、尿素水濃度が正常な場合に、推定した前記アンモニア量に基いて、尿素添加量が正常かを判断し、異常と判断した場合には、前記尿素水添加弁の尿素水の添加量を補正することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記尿素水添加弁の尿素水の添加量を補正した後にＮＯｘ浄化率が正常化されない場合には、前記選択還元触媒が異常と判断する、ことを特徴とする請求項２に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記異常検出手段は、尿素水の添加量が正常な場合に、推定したアンモニア量に基いて、尿素水の濃度が正常かを判別し、当該尿素水の濃度が正常な場合には、前記選択還元触媒が異常と判断する、ことを特徴とする請求項１に記載の内燃機関の排気浄化装置。
前記異常検出手段は、尿素水が加水分解されてアンモニアが生成されるための所定の条件を満たす場合に、前記アンモニア量を推定することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の内燃機関の排気浄化装置。