JP6972878B2 - 内燃機関の排気浄化装置の異常診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置の異常診断装置に関する。

アンモニアを還元剤として使用することで、内燃機関からの排気中に含まれるＮＯｘを浄化する選択還元型ＮＯｘ触媒（以下、単に「ＮＯｘ触媒」という。）が知られている。このＮＯｘ触媒よりも上流側には、排気中にアンモニア又はアンモニアの前駆体を添加する添加弁等が設置される。アンモニアの前駆体としては、尿素を例示できる。以下、アンモニアの前駆体またはアンモニアをまとめて「還元剤」ともいう。

添加弁から還元剤を供給する際には、還元剤を吐出するポンプの回転速度に基づいたフィードバック制御が行われる。ここで、上記ポンプの回転速度を一定に維持しつつ上記フィードバック制御を停止させ、その状態で還元剤を供給したときの還元剤通路内の圧力低下量に基づいて、還元剤供給装置の異常診断を実施する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

米国特許出願公開第２０１５／１０４３６３号明細書

車両の走行中には、走行振動により還元剤通路が変形して、該還元剤通路内の還元剤圧力が変化し得る。この還元剤圧力の変化は、還元剤供給時の還元剤通路内の圧力に影響するため、この圧力に基づいて還元剤供給装置の異常診断を実施すると、誤診断の虞がある。

本発明は、上記したような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、還元剤の供給異常を診断するときの診断精度を向上することにある。

本発明の態様の一つは、車両に搭載される内燃機関の排気通路に設けられ還元剤を用いて排気を浄化する触媒と、還元剤を前記触媒へ供給する添加弁と、還元剤を吐出するポンプと、前記ポンプと前記添加弁とを接続して還元剤が流通する還元剤通路と、前記還元剤通路において還元剤の圧力を検出する圧力検出装置と、を備えた内燃機関の排気浄化装置の異常診断を実施する装置である内燃機関の排気浄化装置の異常診断装置において、前記車両が停止している場合に、前記異常診断を実施する条件が成立していると判定する判定部と、前記判定部によって前記異常診断を実施する条件が成立していると判定された場合に、前記添加弁から還元剤を供給したときの前記圧力検出装置によって検出される還元剤の圧力低下量に基づいて、前記異常診断を実施する診断部と、を備える内燃機関の排気浄化装置の異常診断装置である。

本発明によれば、還元剤の供給異常を診断するときの診断精度を向上することができる。

実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系と、の概略構成を示す図である。 還元剤通路の平均加速度（横軸）と圧力センサにより検出される還元剤圧力の変化量（縦軸）との関係を示した図である。 還元剤供給装置の異常診断を実施するときの車速、添加弁の開閉状態、還元剤圧力の推移を示したタイムチャートである。 実施例に係る還元剤供給装置の異常診断を実施するか否かを判定するフローを示したフローチャートである。 還元剤供給装置の異常診断のフローを示したフローチャートである。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための形態を、実施例に基づいて例示的に詳しく説明する。ただし、この実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

（実施例）
図１は、本実施例に係る内燃機関と、その吸気系及び排気系と、の概略構成を示す図である。内燃機関１は、車両１００に搭載されているディーゼルエンジンである。ただし、内燃機関１はガソリンエンジンであってもよい。内燃機関１には排気通路２が接続されている。排気通路２には、アンモニアを還元剤として排気中のＮＯｘを選択還元する選択還元型ＮＯｘ触媒３（以下、「ＮＯｘ触媒３」という。）が設けられている。

ＮＯｘ触媒３よりも上流の排気通路２には、ＮＯｘ触媒３へ還元剤を供給する還元剤供給装置４が設けられている。還元剤供給装置４は、タンク４１、添加弁４２、還元剤通路４３、ポンプ４４、圧力センサ４５、リターン通路４７、チェック弁４８を備えている。

タンク４１は、尿素水を貯留している。添加弁４２はＮＯｘ触媒３よりも上流の排気通路２に取り付けられて尿素水を噴射する。還元剤通路４３は、タンク４１と添加弁４２とを接続して尿素水を流通させる。添加弁４２から供給された尿素水は、排気の熱またはＮＯｘ触媒３からの熱により加水分解されてアンモニアとなり、ＮＯｘ触媒３に吸着する。このアンモニアは、ＮＯｘ触媒３において還元剤として利用される。なお、以下では、アンモニア及び尿素水をまとめて還元剤と称する。

ポンプ４４は、還元剤通路４３がタンク４１に接続される箇所に設けられており還元剤を吐出する。なお、ポンプ４４は、タンク４１内に設置してもよい。ポンプ４４は、電動ポンプであり、電力を供給することで回転する。このポンプ４４は、回転速度を変化させることにより還元剤の吐出量を変化させることができる。これにより還元剤の圧力を調整することができる。

また、還元剤通路４３には、還元剤の圧力を検出する圧力センサ４５が設けられている。本実施例においては圧力センサ４５が、本発明における圧力検出装置に相当する。ポンプ４４には、該ポンプ４４の回転速度（１分間あたりの回転回数としてもよい。）を検出するポンプ回転速度センサ４６が設けられている。また、リターン通路４７は、還元剤通路４３とタンク４１とを接続している。リターン通路４７は、ポンプ４４から吐出された還元剤のうち一定の圧力を超える分の還元剤をチェック弁４８を介してタンク４１へ戻すための通路である。チェック弁４８は、リターン通路４７に設けられ、一定の圧力になると開弁して還元剤通路４３側からタンク４１側へ還元剤を流通させる。

さらに、添加弁４２よりも上流には、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘ濃度を検
出する上流側ＮＯｘセンサ１１が設けられている。また、ＮＯｘ触媒３よりも下流には、ＮＯｘ触媒３から流れ出る排気中のＮＯｘ濃度を検出する下流側ＮＯｘセンサ１２と、排気温度を検出する温度センサ１３と、が設けられている。

また、内燃機関１には、吸気通路６が接続されている。吸気通路６の途中には、内燃機関１の吸入空気量を調整するスロットル７が設けられている。また、スロットル７よりも上流の吸気通路６には、内燃機関１の吸入空気量を検出するエアフローメータ１６が取り付けられている。また、車両１００には、該車両１００の速度を検出する車速センサ１７が設けられている。

そして、内燃機関１には電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。ＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転状態や排気浄化装置等を制御する。ＥＣＵ１０には、上述した上流側ＮＯｘセンサ１１、下流側ＮＯｘセンサ１２、温度センサ１３、エアフローメータ１６、車速センサ１７、圧力センサ４５、ポンプ回転速度センサ４６の他、クランクポジションセンサ１４及びアクセル開度センサ１５が電気的に接続され、各センサの出力値がＥＣＵ１０に渡される。

ＥＣＵ１０は、クランクポジションセンサ１４の検出に基づく機関回転速度や、アクセル開度センサ１５の検出に基づく機関負荷等の内燃機関１の運転状態を把握可能である。なお、本実施例では、ＮＯｘ触媒３に流れ込む排気中のＮＯｘは上流側ＮＯｘセンサ１１によって検出可能であるが、内燃機関１から排出される排気（ＮＯｘ触媒３に浄化される前の排気であり、すなわちＮＯｘ触媒３に流れ込む排気）に含まれるＮＯｘは、内燃機関１の運転状態と関連性を有することから、上記内燃機関１の運転状態に基づいて、推定することも可能である。また、ＥＣＵ１０は、温度センサ１３によって検出される排気温度に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度を推定することが可能である。また、内燃機関１の運転状態に基づいて、ＮＯｘ触媒３の温度を推定することも可能である。一方、ＥＣＵ１０には、スロットル７、添加弁４２、ポンプ４４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０によりこれらの機器が制御される。

そして、内燃機関１の作動中にＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３を通過する排気中のＮＯｘを還元するためにＮＯｘ触媒３へ還元剤を供給する制御である還元剤供給制御を実施する。還元剤供給制御では、ポンプ４４を作動させると共に添加弁４２を開弁することにより、添加弁４２から排気中に還元剤を供給する。このときにＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が、ＮＯｘ触媒３におけるアンモニア吸着量の目標値（以下、目標吸着量ともいう。）となるように、添加弁４２から還元剤を供給する。この際、ＥＣＵ１０は、前回の還元剤の供給開始時点から今回の還元剤の供給開始時点までの期間（以下、供給間隔ともいう。）に、ＮＯｘ触媒３においてＮＯｘを浄化するために消費されたアンモニア量（以下、アンモニア消費量ともいう。）と、ＮＯｘ触媒３から脱離してＮＯｘを浄化することなく減少したアンモニア量（以下、アンモニア脱離量ともいう。）と、を補うことでＮＯｘ触媒３のアンモニア吸着量が目標吸着量となるように、添加弁４２から供給する還元剤量（以下、還元剤供給量ともいう。）を算出する。

このため、ＥＣＵ１０は、ＮＯｘ触媒３に流入するＮＯｘ量（以下、流入ＮＯｘ量ともいう。）、ＮＯｘ触媒３の温度（以下、触媒温度ともいう。）、ＮＯｘ触媒３における目標吸着量に基づいて、供給間隔中に含まれる複数の演算周期毎に繰り返し還元剤供給量を算出し、供給間隔中に算出された還元剤供給量を積算していく。そして、還元剤の供給開始時点における還元剤供給量の積算値が、ＥＣＵ１０から添加弁４２へ与えられる指令値となる。この還元剤供給量の指令値は、実際に添加弁４２から供給するべき還元剤量である。還元剤供給量と添加弁４２の開弁時間と還元剤の圧力とには相関関係があるため、この関係を予め実験またはシミュレーション等により求めておけば、算出された還元剤供給
量及び検出された還元剤圧力から添加弁４２の開弁時間を決定することができる。ＥＣＵ１０は、還元剤供給量に応じた時間だけ添加弁４２を開弁させることにより、還元剤を供給する。還元剤の供給は所定期間毎に実施される。

また、ＥＣＵ１０は、還元剤通路４３内の圧力が所定圧力に近づくように、ポンプ４４の回転速度をフィードバック制御している。所定圧力は、添加弁４２から還元剤を供給するのに適した還元剤の圧力である。添加弁４２から還元剤を供給すると還元剤通路４３内の圧力が低下する。還元剤通路４３内の圧力低下が圧力センサ４５により検出された場合には、ポンプ４４の回転速度を増加させることにより、還元剤通路４３内の圧力を速やかに上昇させる。

また、ＥＣＵ１０は、還元剤供給装置４の異常診断を、還元剤供給時の還元剤の圧力低下量と、所定低下量と、を比較することにより実施する。還元剤供給時の還元剤の圧力低下量は、還元剤供給開始時点の圧力センサ４５の検出値から、還元剤が供給されている期間（添加弁４２が開いている期間としてもよい。）における圧力センサ４５の検出値の最小値を減算することにより算出される。また、所定低下量は、還元剤供給装置４が正常である場合の圧力低下量として予め実験またはシミュレーション等により求めておく。

ここで、添加弁４２及び還元剤通路４３に詰まりがなく、添加弁４２から還元剤が正常に供給された場合には、添加弁４２から還元剤が供給されることにより還元剤通路４３内の圧力が低下する。還元剤の圧力低下量は、添加弁４２からの還元剤の供給量と相関関係にあるため、添加弁４２または還元剤通路４３に詰まりがある場合には、添加弁４２から噴射される還元剤の量が少なくなる分、還元剤の圧力低下量も小さくなる。したがって、還元剤供給装置４が正常であるときの圧力低下量を所定低下量として設定しておけば、実際の圧力低下量と所定低下量とを比較することにより、還元剤供給装置４の異常診断が可能となる。ＥＣＵ１０は、圧力センサ４５により検出される圧力低下量が所定低下量以上であれば、還元剤供給装置４が正常であると判定し、圧力センサ４５により検出される圧力低下量が所定低下量未満であれば、還元剤供給装置４が異常であると判定する。

ところで、車両１００の走行時には、走行振動が発生し、この走行振動は還元剤供給装置４にも伝わるため、還元剤供給装置４を構成する各部材も振動する。例えば還元剤通路４３が振動により変形すると還元剤圧力に影響を与えるため、圧力センサ４５の検出値が変動してしまう。このように、変動した圧力センサ４５の検出値に基づいて還元剤供給装置４の異常診断を実施すると、誤診断の虞がある。

図２は、還元剤通路４３の平均加速度（横軸）と圧力センサ４５により検出される還元剤圧力の変化量（縦軸）との関係を示した図である。平均加速度は、還元剤通路４３が振動した際のその振動の１周期において発生した加速度の絶対値を平均化した値である。還元剤圧力の変化量は、還元剤圧力が変動する際の最大値と最小値との差である。平均加速度が大きいほど、走行振動が大きいことを示している。このように、平均加速度が大きくなると、還元剤圧力の変化量も大きくなる。そして、還元剤圧力の変化量が大きくなると、還元剤供給時の還元剤の圧力低下量の変化量も大きくなるため、誤診断が起こる可能性も高まる。一方、車両１００が停止している場合には、還元剤圧力の変化量は比較的小さい。そこで本実施例では、車両１００が停止している場合には還元剤通路４３の振動による還元剤圧力の変動は小さいものとして、還元剤供給装置４の異常診断を実施することとし、一方、車両が走行している場合には還元剤供給装置４の異常診断を停止させる。

図３は、還元剤供給装置４の異常診断を実施するときの車速、添加弁４２の開閉状態、還元剤圧力の推移を示したタイムチャートである。Ｔ１において車速が０となり（車両１００が停止し）、Ｔ２において還元剤供給装置４の異常診断を実施するために還元剤を供
給するように添加弁４２が開かれている。Ｔ２において添加弁４２が開かれることにより、Ｔ２から還元剤圧力が低下する。そして、Ｔ３において添加弁４２が閉じられて還元剤の供給が停止されると、ポンプ４４が還元剤を吐出していることにより還元剤圧力は元に戻る。

ＥＣＵ１０は、還元剤供給開始時点Ｔ２における還元剤圧力から、添加弁４２が開いている期間（すなわちＴ２からＴ３までの期間）の還元剤圧力の最小値を減算することにより、還元剤の圧力低下量を算出し、この圧力低下量を所定低下量と比較することにより、還元剤供給装置４の異常判定を実施する。なお、添加弁４２が開いている期間の還元剤圧力の最小値に代えて、還元剤供給開始時点Ｔ２から所定時間経過時点における還元剤圧力を用いてもよい。この所定時間経過時点は、Ｔ２からＴ３までの期間中の何れかの時点である。また、還元剤の圧力低下量を算出する際には、還元剤供給開始時点Ｔ２における還元剤圧力の代わりに、車両１００の停止時点Ｔ１から還元剤供給開始時点Ｔ２までの期間の何れかの時点における還元剤圧力を用いてもよい。

図４は、本実施例に係る還元剤供給装置４の異常診断を実施するか否かを判定するフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により所定のタイミングに実施される。この所定のタイミングは、還元剤供給装置４の異常診断を実施するタイミングとしてもよい。

ステップＳ１０１では、車両１００が停止中であるか否か判定される。例えば、車速センサ１７により検出される車速が０のときに車両１００が停止中であると判定され、車速センサ１７により検出される車速が０よりも大きいときに車両１００が走行中であると判定される。なお、内燃機関１の回転速度がアイドル運転に対応する回転速度である場合に、車両１００が停止中であるとみなしてもよい。ステップＳ１０１で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ１０２へ進む。

ステップＳ１０２では、還元剤供給装置４の異常診断用の還元剤供給が実施される。異常診断用の還元剤供給は、還元剤供給装置４の異常診断に適した量の還元剤を供給するように実施される。ただし、ＮＯｘ触媒３を通過する排気中のＮＯｘを還元するためにＮＯｘ触媒３へ還元剤を供給するための還元剤供給制御により、成り行きで還元剤供給を実施してもよい。なお、本ステップＳ１０２に係る還元剤供給時には、還元剤通路４３内の圧力を所定圧力に近づけるポンプ４４の回転速度のフィードバック制御を停止させてもよい。そうすると、還元剤供給時の圧力低下がより顕著に表れるため、異常診断の精度を向上させることができる。

ステップＳ１０３では、還元剤供給装置４の異常診断に必要なパラメータが算出される。ＥＣＵ１０は、還元剤が供給される期間（添加弁４２が開いている期間としてもよい。）の圧力センサ４５の検出値に基づいて、還元剤が供給される期間における還元剤圧力の最小値、還元剤供給開始時点における還元剤圧力、還元剤が供給される期間における還元剤の圧力低下量等を算出する。

ステップＳ１０４では、還元剤供給装置４の異常診断が実施される。還元剤供給装置４の異常診断については、後述の図５に基づいて説明する。一方、ステップＳ１０１で否定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進んで、還元剤供給装置４の異常診断が停止される。なお、本実施例ではステップＳ１０１をＥＣＵ１０が処理することにより、本発明における判定部として機能する。

図５は、還元剤供給装置４の異常診断のフローを示したフローチャートである。本フローチャートは、ＥＣＵ１０により実行される。なお、本実施例では図５に示すフローチャ
ートをＥＣＵ１０が処理することにより、本発明における診断部として機能する。

ステップＳ２０１では、ステップＳ１０３で算出された還元剤が供給される期間における還元剤の圧力低下量が、所定低下量以上であるか否か判定される。すなわち、本ステップＳ２０１では、還元剤が正常に供給されているか否か判定している。ステップＳ２０１で肯定判定がなされた場合には、ステップＳ２０２へ進んで還元剤供給装置４は正常であると判定される。一方、ステップＳ２０１で否定判定がなされた場合には、ステップＳ２０３へ進んで還元剤供給装置４が異常であると判定される。

このようにして、車両１００が走行中の場合には、還元剤供給装置４の異常診断が停止されるため、走行振動の影響を受けて誤診断が生じることを抑制できる。すなわち、本実施例によれば還元剤供給装置４の異常診断の精度を向上させることができる。

なお、本実施例では選択還元型ＮＯｘ触媒を例に挙げて説明したが、還元剤を用いて排気を浄化する他の触媒（例えば、吸蔵還元型ＮＯｘ触媒）において還元剤供給装置４の異常診断を実施する場合においても同様に考えることができる。還元剤については、尿素水及びアンモニア以外のものを用いることもできる。

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 選択還元型ＮＯｘ触媒
４ 還元剤供給装置
６ 吸気通路
７ スロットル
１０ ＥＣＵ
１１ 上流側ＮＯｘセンサ
１２ 下流側ＮＯｘセンサ
１３ 温度センサ
１４ クランクポジションセンサ
１５ アクセル開度センサ
１６ エアフローメータ
１７ 車速センサ
４１ タンク
４２ 添加弁
４３ 還元剤通路
４４ ポンプ
４５ 圧力センサ
４６ ポンプ回転速度センサ
４７ リターン通路
４８ チェック弁
１００ 車両

Claims (1)

1. 車両に搭載される内燃機関の排気通路に設けられ還元剤を用いて排気を浄化する触媒と、
   還元剤を前記触媒へ供給する添加弁と、
   還元剤を吐出するポンプと、
   前記ポンプと前記添加弁とを接続して還元剤が流通する還元剤通路と、
   前記還元剤通路において還元剤の圧力を検出する圧力検出装置と、
   を備えた内燃機関の排気浄化装置の異常診断を実施する装置である内燃機関の排気浄化装置の異常診断装置において、
   前記車両が停止している場合に、前記異常診断を実施する条件が成立していると判定する判定部と、
   前記判定部によって前記異常診断を実施する条件が成立していると判定された場合に、前記添加弁から還元剤を供給したときの前記圧力検出装置によって検出される還元剤の圧力低下量に基づいて、前記異常診断を実施する診断部と、
   を備える内燃機関の排気浄化装置の異常診断装置。

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