JPWO2014192850A1 - 排気浄化装置の異常診断装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、SCR触媒のNOX流入量をパラメータとしてSCR触媒の異常を診断する排気浄化装置の異常診断装置において、異常診断精度の低下を抑制することを課題とする。本発明は、SCR触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を導くEGR装置と、排気浄化装置へ流入するNOXの量を取得する取得手段と、NOX流入量をパラメータとして排気浄化装置のNOX浄化性能に相関する物理量を演算し、その演算結果が閾値より小さい場合に排気浄化装置が異常であると診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置の異常診断装置において、EGR装置によってEGRガスとともに還流される添加剤の量が多くなるほど、前記閾値を小さい値に補正するようにした。
Description
本発明は、内燃機関の排気通路に設けられた排気浄化装置の異常診断技術に関する。
特許文献1には、選択還元型(SCR:Selective Catalytic Reduction)触媒と、該SCR触媒へ流入する排気に尿素水を添加する添加弁と、SCR触媒より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部(EGR(Exhaust Gas Recirculation)ガス)を導く低圧EGRシステムと、を備える構成について記載されている。
特許文献2には、火花点火式の内燃機関において、吸気通路にアンモニアを供給する装置と、排気通路に配置されたSCR触媒と、を備える構成について記載されている。
SCR触媒等を含む排気浄化装置の異常を検出する技術として、SCR触媒へ流入するNOXの量(以下、「NOX流入量」と称する)をパラメータとして排気浄化装置の異常を診断する技術が知られている。たとえば、NOX流入量をパラメータとしてSCR触媒のNOX浄化率(NOX流入量に対して、SCR触媒により浄化されたNOXの量の割合)を演算し、その演算結果に基づいて排気浄化装置の異常を診断する方法が知られている。
ここで、SCR触媒のNOX浄化率を演算するにあたり、NOX流入量とSCR触媒から流出するNOXの量(以下、「NOX流出量」と称する)が必要になる。それらNOX流入量とNOX流出量は、NOXセンサの測定値に基づいて演算されてもよいが、2つのNOXセンサが必要になるため、車両搭載性が低下したり、製造コストが大きくなったりする。そこで、NOX流出量のみをNOXセンサを利用して演算し、NOX流入量を内燃機関の運転状態から推定(演算)する方法が提案されている。
ところで、上記した特許文献1に記載されているように低圧EGRシステムが搭載された車両においては、尿素水のようなアンモニアの前駆体、又はアンモニアが低圧EGRシステムによって内燃機関へ導入される場合がある。アンモニアの前駆体、又はアンモニアが内燃機関において燃焼に供されると、一酸化窒素(NO)等のNOXが生成される。その結果、内燃機関から実際に排出されるNOXの量、言い換えると、SCR触媒へ実際に流入するNOXの量が増加する。そのような場合は、内燃機関の運転状態から演算されるNOX流入量が実際のNOX流入量より少なくなる。一方、NOXセンサの測定値から演算されるNOX流出量は、実際のNOX流入量の増加に伴って少なからず増加する可能性がある。よって、NOX流入量の演算値とNOX流出量とから演算されるNOX浄化率が実際のNOX浄化率より小さくなり、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず異常であると誤診断される可能性がある。
また、NOX流入量とNOX流出量の双方がNOXセンサの測定値から演算される構成において、添加剤の還流に由来してNOX流入量が多くなった場合は、正常時のNOX浄化率と異常時のNOX浄化率の差が小さくなる。その際、NOXセンサの測定値に誤差が含まれていると、正常時のNOX浄化率と異常時のNOX浄化率を区別することができなくなる可能性がある。そのため、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず異常であると誤診断される可能性が高くなる。
本発明は、上記したような種々の実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を導くEGR装置と、NOX流入量をパラメータとして排気浄化装置の異常診断を行う診断手段と、を備えた排気浄化装置の異常診断装置において、排気浄化装置が正常であるにもかからず異常であると誤診断されることを抑制することにある。
本発明は、上記した課題を解決するために、内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、前記供給装置による添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるEGR装置と、排気浄化装置へ流入するNOXの量を取得する取得手段と、前記取得手段により取得されたNOX流入量をパラメータとして排気浄化装置のNOX浄化性能に相関する物理量を演算し、その演算結果が閾値より小さい場合に排気浄化装置が異常であると診断する診断手段と、を備えた排気浄化装置の異常診断装置において、前記EGR装置により排気の一部とともに添加剤が還流される場合は還流されない場合に比べ、前記閾値の値を小さくするようにした。
詳細には、本発明の排気浄化装置の異常診断装置は、
内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、
前記排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、
前記供給装置による添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるEGR装置と、
前記排気浄化装置へ流入するNOXの量であるNOX流入量を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得されたNOX流入量をパラメータとして前記排気浄化装置のNOX浄化性能に相関する物理量を演算し、その演算結果が閾値より小さい場合に前記排気浄化装置が異常であると診断する診断手段と、
前記EGR装置により排気の一部とともに添加剤が還流される場合は還流されない場合に比べ、前記閾値を小さい値に補正する補正手段と、
を備えるようにした。
内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、
前記排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、
前記供給装置による添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるEGR装置と、
前記排気浄化装置へ流入するNOXの量であるNOX流入量を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得されたNOX流入量をパラメータとして前記排気浄化装置のNOX浄化性能に相関する物理量を演算し、その演算結果が閾値より小さい場合に前記排気浄化装置が異常であると診断する診断手段と、
前記EGR装置により排気の一部とともに添加剤が還流される場合は還流されない場合に比べ、前記閾値を小さい値に補正する補正手段と、
を備えるようにした。
排気浄化装置のNOX浄化性能を表す指標として、NOX浄化率(排気浄化装置へ流入したNOXの量に対し、排気浄化装置により浄化されたNOXの量の割合)や、NOX浄化量(排気浄化装置により浄化されたNOXの量)等の物理量が考えられる。よって、NOX流入量をパラメータとして排気浄化装置の異常を診断する場合は、NOX流入量をパラメータとして上記したような物理量を演算し、その演算結果と閾値を比較する方法が用いられる。
ところで、EGR装置により排気の一部(EGRガス)が還流されているときは、供給装置から供給された添加剤の一部がEGRガスとともに還流される可能性がある。そのような場合は、添加剤が内燃機関において混合気とともに燃焼に供される。添加剤が燃焼に供されると、アンモニアが酸化して一酸化窒素等のNOXが生成される。よって、添加剤の一部がEGRガスとともに還流された場合は還流されない場合に比べ、内燃機関から流出するNOXの量(言い換えると、排気浄化装置へ流入するNOX量)が多くなる。
ここで、排気浄化装置の異常診断処理に使用されるNOX流入量が内燃機関の運転状態を示すパラメータ(たとえば、吸入空気量、燃料噴射量、燃料噴射時期、機関回転速度等)を用いて演算される場合は、その演算値(以下、「NOX流入量演算値」と称する)が実際のNOX流入量(以下、「実NOX流入量」と称する)より少なくなる。
その結果、取得手段により算出されたNOX流入量演算値をパラメータとして、上記したような物理量が演算されると、その演算結果と排気浄化装置のNOX浄化性能との相関が低くなる。たとえば、排気浄化装置のNOX浄化性能を表す指標としてNOX浄化率が用いられる場合において、NOX流入量演算値をパラメータとして演算されるNOX浄化率は、実際のNOX浄化率より小さくなる可能性がある。また、排気浄化装置のNOX浄化性能を表す指標としてNOX浄化量が用いられる場合において、NOX流入量演算値をパラメータとして演算されるNOX浄化量は、実際のNOX浄化量より少なくなる可能性がある。したがって、EGR装置によってEGRガスとともに添加剤が還流されているときに、NOX流入量演算値を用いた異常診断処理が行われると、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、排気浄化装置が異常であると誤診断される可能性がある。
また、排気浄化装置の異常診断処理に使用されるNOX流入量がNOXセンサの測定値から演算される構成(すなわち、実NOX流入量が取得される構成)において、添加剤がEGRガスとともに還流されることによってNOX流入量が増加すると、上記したような指標(物理量)も増加する。このような現象は、排気浄化装置が異常である場合にも発現し得る。そのため、添加剤がEGRガスとともに還流されることによって実NOX流入量が多くなる場合においては、排気浄化装置が正常であるときの指標(物理量)と排気浄化装置が異常であるときの指標(物理量)との差が小さくなる。その際、NOXセンサの測定誤差が考慮されると、排気浄化装置が正常であるときの指標(物理量)と排気浄化装置が異常であるときの指標(物理量)との差が一層小さくなる。その結果、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、NOX浄化率やNOX浄化量が閾値より小さくなる可能性がある。つまり、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、排気浄化装置が異常であると誤診断される可能性がある。
これに対し、本発明の排気浄化装置の異常診断装置は、EGRガスとともに添加剤が還流される場合は還流されない場合に比べ、閾値の大きさを小さくするようにした。このような構成によれば、EGRガスとともに添加剤が還流されることに起因して実NOX流入量が増加する場合において、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、前記物理量が閾値より小さくなる事態が発生し難くなる。つまり、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、排気浄化装置が異常であると誤診断され難くなる。その結果、添加剤がEGRガスとともに還流されることに起因した診断精度の低下を抑制することができる。
なお、添加剤がEGRガスとともに還流されている場合の閾値は、EGR装置によって還流される添加剤の量が多くなるほど小さい値にされてもよい。ここで、取得手段がNOX流入量演算値を取得する構成においては、EGRガス量とともに還流される添加剤の量が多くなるほど、NOX流入量演算値と実NOX流入量との差が大きくなる。それに伴い、NOX流入量演算値をパラメータとして演算される物理量が小さくなる。よって、EGRガス量とともに還流される添加剤の量が多くなるほど閾値が小さい値に設定されると、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、前記物理量が閾値より小さくなることをより確実に抑制することができる。
一方、取得手段がNOXセンサの測定値を利用して実NOX流入量を取得する構成においては、EGRガスとともに還流される添加剤の量が多くなるほど、NOX浄化率の演算値が大きくなる可能性がある。この傾向は、排気浄化装置が異常である場合にも現れる。そのため、正常時における前記物理量と異常時における前記物理量との差が小さくなる可能性がある。その際、前記物理量の演算に用いられるNOXセンサの測定値に測定誤差が含まれていると、排気浄化装置が正常であっても、前記物理量が閾値を下回る可能性がある。これに対し、EGRガスとともに還流される添加剤の量が多くなるほど閾値が小さい値に設定されると、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、前記物理量が閾値より小さくなり難くなる。
したがって、EGRガスとともに還流される添加剤の量が多くなるほど閾値の値が小さくされる構成によれば、排気浄化装置が正常であるにもかかわらず、該排気浄化装置が異常であると誤診断されることをより確実に抑制することが可能になる。
ところで、前記閾値が小さい値に補正された場合は、排気浄化装置のNOX浄化性能が低下していても、前記物理量が閾値以上になることが懸念される。一方、EGR装置によりEGRガスが還流されている場合は還流されていない場合に比べ、大気中に排出されるNOXの量が少なくなる。たとえば、排気浄化装置より下流の排気通路からEGRガスが取り出される構成において、EGRガスが還流されているときは、排気浄化装置から流出したNOXの一部がEGRガスとともに還流される。そのため、排気浄化装置から流出したNOXのうち、大気中に排出されるNOXの量は、EGRガス量が多くなるほど少なくなる。また、EGRガスとともに還流される添加剤の量は、EGRガスの量が多くなるほど多くなる傾向がある。よって、EGRガスとともに還流される添加剤の量に応じて閾値が変更される構成においては、EGRガスの量が多くなるほど前記閾値が小さい値に変更されるため、大気中に排出されるNOXの量が過剰に多くなることは抑制される。また、EGRガスとともに還流される添加剤の量に応じて閾値が変更される構成においては、大気中に排出されるNOXの量が法規等で定められた規制値を超えないように閾値が定められることが望ましい。すなわち、大気中に排出されるNOXの量が予め定められた目標値以下となる場合において前記物理量が取り得る最小の値が閾値として設定されてもよい。このように閾値が定められると、大気中に排出されるNOXの量が規制値を超える程度に排気浄化装置のNOX浄化性能が劣化した場合に、該排気浄化装置が異常であると診断することが可能になる。
ここで、EGR装置が排気浄化装置より下流の排気通路から吸気通路へEGRガスを還流させるように構成されている場合において、EGRガスとともに還流される添加剤の量は、排気浄化装置をすり抜ける添加剤の量(以下、「スリップ量」と記す)と、排気浄化装置から流出した排気の量に対してEGR装置によって還流される排気の量の割合(EGR率に相当)と、をパラメータとして演算することができる。そこで、補正手段は、前記のパラメータを用いて添加剤の還流量を演算し、その演算結果に応じて前記閾値を補正してもよい。
なお、添加剤の一部が排気浄化装置をすり抜けている場合において、添加剤の還流量は、EGRガスの量やEGR率が大きくなるほど多くなる傾向がある。よって、補正手段は、EGRガスの量又はEGR率に応じて前記閾値を補正してもよい。具体的には、補正手段は、添加剤のスリップ量が所定量より多い場合に、EGRガスの量又はEGR率が大きくなるほど、前記閾値を小さい値に補正してもよい。ここでいう「所定量」は、閾値を補正しなくても異常診断処理の精度を保つことができると考えられる最大のスリップ量(若しくは、該最大のスリップ量からマージンを減算した量)である。
ここで、添加剤のスリップ量は、排気浄化装置の温度と、排気浄化装置を流れる排気の流量と、排気浄化装置の選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの量と、をパラメータとして求めることができる。たとえば、選択還元型触媒の温度が高いときは少ないときに比べ、添加剤のスリップ量が多くなる。選択還元型触媒を通過する排気の流量が多いときは少ないときに比べ、添加剤のスリップ量が多くなる。選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの量が多いときは少ないときに比べ、添加剤のスリップ量が多くなる。そこで、これらの傾向に基づいて、選択還元型触媒の温度と、選択還元型触媒を通過する排気の流量と、選択還元型触媒に吸着されているアンモニアの量と、添加剤のスリップ量と、の関係を示すマップ又は関数を求めておき、そのマップ又は関数に基づいて添加剤のスリップ量を求めるようにしてもよい。
次に、添加剤の供給位置と排気浄化装置との間の排気通路からEGRガスが取り出される構成においては、添加剤の還流量は、供給装置から供給される添加剤の量と、EGR率と、をパラメータとして演算することができる。そこで、補正手段は、前記のパラメータを用いて添加剤の還流量を演算し、その演算結果に応じて前記閾値を補正してもよい。
なお、添加剤が供給装置から供給されている場合において、添加剤の還流量は、EGRガスの量やEGR率が大きくなるほど多くなる傾向がある。よって、補正手段は、EGRガス又はEGR率に応じて前記閾値を補正してもよい。具体的には、補正手段は、供給装置から供給される添加剤の量(供給量)が所定量より多い場合に、EGRガスの量又はEGR率が大きくなるほど、前記閾値を小さい値に補正してもよい。ここでいう「所定量」は、閾値を補正しなくても異常診断処理の精度を保つことができると考えられる最大の供給量(若しくは、該最大の供給量からマージンを減算した量)である。
本発明によれば、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を導くEGR装置と、排気浄化装置へ流入するNOXの量であるNOX流入量をパラメータとして排気浄化装置の異常診断を行う診断手段と、を備えた排気浄化装置の異常診断装置において、排気浄化装置が正常であるにもかからず異常であると誤診断されることを抑制することができる。
以下、本発明の具体的な実施形態について図面に基づいて説明する。本実施形態に記載される構成部品の寸法、材質、形状、相対配置等は、特に記載がない限り発明の技術的範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
図1は、本発明を適用する内燃機関とその吸排気系の概略構成を示す図である。図1に示す内燃機関1は、軽油を主燃料とする圧縮着火式の内燃機関(ディーゼルエンジン)、若しくはガソリンを主燃料とする火花点火式の内燃機関(ガソリンエンジン)である。
内燃機関1には、吸気通路2が接続されている。吸気通路2は、大気中から取り込んだ新気(空気)を内燃機関1へ導くための通路である。吸気通路2の途中には、遠心過給機(ターボチャージャ)3のコンプレッサ30が配置されている。コンプレッサ30より上流の吸気通路2には、該吸気通路2の通路断面積を変更する吸気絞り弁4が配置されている。
内燃機関1には、排気通路5が接続されている。排気通路5は、内燃機関1の気筒内で燃焼されたガス(排気)を後述する排気浄化装置や図示しない消音器などに導くための通路である。排気通路5の途中には、ターボチャージャ3のタービン31が配置されている。タービン31より下流の排気通路5には、第一触媒ケーシング6が配置されている。
第一触媒ケーシング6は、円筒状のケーシング内にパティキュレートフィルタや酸化触媒などを収容している。なお、第一触媒ケーシング6は、酸化触媒の代わりに、三元触媒又は吸蔵還元型触媒を収容してもよい。その場合、三元触媒又は吸蔵還元型触媒は、パティキュレートフィルタに担持されてもよい。
第一触媒ケーシング6より下流の排気通路5には、第二触媒ケーシング7が配置されている。第二触媒ケーシング7は、円筒状のケーシング内に選択還元型触媒(SCR触媒)や酸化触媒などを収容している。なお、第二触媒ケーシング7は、SCR触媒が担持されたパティキュレートフィルタを収容していてもよい。その場合、第一触媒ケーシング6が酸化触媒を収容し、或いは第一触媒ケーシング6を設けずに、第二触媒ケーシング7内に酸化触媒が収容されてもよい。このように構成される第二触媒ケーシング7は、本発明に係わる排気浄化装置に相当する。
第一触媒ケーシング6と第二触媒ケーシング7との間の排気通路5には、添加弁8が取り付けられている。添加弁8は、アンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を排気通路5内へ噴射する噴射弁である。ここで、アンモニアの前駆体として、尿素やカルバミン酸アンモニウムなどの水溶液を用いることができる。本実施例では、添加弁8が噴射する添加剤として尿素水溶液を用いるものとする。添加弁8は、本発明に係わる供給装置に相当する。なお、第一触媒ケーシング6が三元触媒又は吸蔵還元型触媒を収容している場合は、第一触媒ケーシング6へ流入する排気をリッチ雰囲気にすることにより、三元触媒又は吸蔵還元型触媒においてアンモニアを生成させることもできる。
添加弁8から排気通路5内へ噴射された尿素水溶液は、排気とともに第二触媒ケーシング7へ流入する。その際、尿素水溶液は、排気の熱を受けて熱分解され、又はSCR触媒により加水分解される。尿素水溶液が熱分解又は加水分解されると、アンモニアが生成される。このようにして生成されたアンモニアは、SCR触媒に吸着又は吸蔵される。SCR触媒に吸着又は吸蔵されたアンモニアは、排気中に含まれるNOXと反応して窒素や水を生成する。つまり、アンモニアは、NOXの還元剤として機能する。
次に、第二触媒ケーシング7より下流の排気通路5には、EGR通路90の基端が接続されている。EGR通路90の終端は、吸気絞り弁4より下流、且つコンプレッサ30より上流の吸気通路2に接続されている。EGR通路90は、排気通路5から吸気通路2へ排気の一部(EGRガス)を導くための通路である。
EGR通路90の途中には、EGR弁91とEGRクーラ92が配置されている。EGR弁91は、EGR通路90の通路断面積を変更する弁機構であって、EGR通路90を流れるEGRガス量を調整する弁機構である。EGRクーラ92は、EGR通路90を流れるEGRガスを冷却する機器であり、たとえば、冷却水又は外気とEGRガスとの間で熱交換を行わせる熱交換器である。なお、EGR通路90、EGR弁91、及びEGRクーラ92は、EGR装置9を構成する。
このように構成された内燃機関1には、ECU10が併設されている。ECU10は、CPU、ROM、RAM、バックアップRAM等から構成される電子制御ユニットである。ECU10は、エアフローメータ11、NOXセンサ12、アクセルポジションセンサ13、クランクポジションセンサ14等の各種センサと電気的に接続されている。
エアフローメータ11は、吸気絞り弁4より上流の吸気通路2に配置され、吸気通路2を流れる空気の量(質量)に相関する電気信号を出力する。NOXセンサ12は、第二触媒ケーシング7より下流の排気通路5に取り付けられ、第二触媒ケーシング7から流出する排気のNOX濃度に相関する電気信号を出力する。アクセルポジションセンサ13は、図示しないアクセルペダルの操作量(アクセル開度)に相関する電気信号を出力する。クランクポジションセンサ14は、内燃機関1の出力軸(クランクシャフト)の回転位置に相関する電気信号を出力する。
また、ECU10は、前述した吸気絞り弁4、添加弁8、及びEGR弁91に加え、図示しない燃料噴射弁等の各種機器と電気的に接続されている。ECU10は、前記した各種センサの出力信号に基づいて、前記した各種機器を電気的に制御する。
たとえば、ECU10は、アクセルポジションセンサ13やクランクポジションセンサ14の出力信号から機関負荷や機関回転速度を演算し、その演算結果に応じて燃料噴射量や燃料噴射時期を制御する。また、ECU10は、第二触媒ケーシング7に収容されたSCR触媒へ流入するNOXの量(NOX流入量)をパラメータとして該SCR触媒の異常を診断する。
ここで、SCR触媒の異常診断方法について述べる。先ず、ECU10は、内燃機関1の運転状態を示すパラメータに基づいて内燃機関1から排出されるNOXの量(言い換えると、第二触媒ケーシング7のSCR触媒へ流入するNOXの量(NOX流入量))を演算する。
内燃機関1から排出されるNOXの量は、内燃機関1において混合気が燃焼する際に発生するNOXの量に相関する。内燃機関1において混合気が燃焼する際に発生するNOXの量は、混合気に含まれる酸素の量、混合気に含まれる燃料の量、燃料噴射時期、及び機関回転速度に相関する。混合気に含まれる酸素の量は、吸入空気量(エアフローメータ11の出力信号)に相関する。混合気に含まれる燃料の量は、燃料噴射量に相関する。よって、ECU10は、エアフローメータ11の出力信号と、燃料噴射量と、燃料噴射時期と、機関回転速度と、をパラメータとして、NOX流入量を演算することができる。なお、上記した種々のパラメータとNOX流入量との関係は、予め実験的に求めておき、それらの関係をマップや関数式の態様でECU10のROMに記憶させておくようにしてもよい。このようにECU10がNOX流入量を演算することにより、本発明に係わる取得手段が実現される。
ECU10は、NOX流入量の演算値(NOX流入量演算値)をパラメータとしてSCR触媒のNOX浄化性能に相関する物理量を演算し、その演算結果に基づいてSCR触媒の異常を診断する。SCR触媒のNOX浄化性能を示す物理量としては、たとえば、SCR触媒のNOX浄化率、又はSCR触媒のNOX浄化量等を用いることができるが、以下では、SCR触媒のNOX浄化性能に相関する物理量として、NOX浄化率を用いる例について述べる。ここでいうNOX浄化率は、SCR触媒へ流入するNOXの量に対して、SCR触媒により浄化されたNOXの量の割合である。NOX浄化率は、以下の式(1)により演算することができる。
Enox=(Anoxin−Anoxout)/Anoxin・・・(1)
Enox=(Anoxin−Anoxout)/Anoxin・・・(1)
前記式(1)中のEnoxは、NOX浄化率である。Anoxinは、NOX流入量であり、上記した方法により算出されたNOX流入量(NOX流入量演算値)が代入される。Anoxoutは、NOX流出量であり、NOXセンサ12の出力信号(NOX濃度)と単位時間あたりの排気流量(単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総和)とを乗算することにより求められる値が代入される。
前記式(1)によりNOX浄化率Enoxが算出されると、ECU10は、該NOX浄化率Enoxが閾値以上であるか否かを判別する。ここでいう「閾値」は、SCR触媒が正常であるときの最低のNOX浄化率、又はそのNOX浄化率にマージンを加算した値である。ECU10は、NOX浄化率Enoxが閾値以上であれば、SCR触媒が正常であると診断する。一方、NOX浄化率Enoxが閾値未満であれば、SCR触媒が異常であると診断する。このようにECU10がNOX流入量演算値をパラメータとしてSCR触媒の異常診断を実行することにより、本発明に係わる診断手段が実現される。
ところで、EGR装置9により排気の一部が排気通路5から吸気通路2へ還流されているとき、詳細には、EGR装置9により還流された排気の一部(EGRガス)がSCR触媒へ再流入しているときに、SCR触媒の異常診断が実施されると、誤診断を招く可能性がある。
EGRガスが還流されているときに、SCR触媒からアンモニアの一部がすり抜けると、そのアンモニアの一部がEGRガスとともに内燃機関1へ吸入される。内燃機関1に吸入されたアンモニアは、混合気とともに燃焼に供される。その場合、アンモニアが高温下で酸素と接触することになるため、アンモニアが酸化して一酸化窒素等のNOXが生成される。その結果、アンモニアがEGRガスとともに内燃機関1に吸入された場合は吸入されない場合に比べ、内燃機関1から排出されるNOXの量が増加する。
内燃機関1から排出されるNOXの量が上記の理由によって増加した場合は、NOX流入量演算値と実NOX流入量との間に誤差が発生する。また、実NOX流入量が増加した場合は、SCR触媒によって浄化されないNOXの量が増加し、NOXセンサ12の出力信号に基づいて演算されるNOX流出量が増加する場合がある。特に、NOX流入量演算値に基づいて添加弁8から噴射される尿素水溶液の量が調整される場合は、添加弁8から噴射される尿素水溶液の量が実NOX流入量に適した量より少なくなるため、NOX流出量が多くなる。その結果、図2に示すように、SCR触媒が正常である場合であっても、前記式(1)により算出されたNOX浄化率Enoxが閾値を下回ってしまう可能性がある。なお、図2中の実線は実NOX流入量をパラメータとして演算されるNOX浄化率を示し、図2中の一点鎖線はNOX流入量演算値をパラメータとして演算されるNOX浄化率を示す。また、図2中の点線は、閾値を示す。
そこで、本実施例の異常診断装置は、EGRガスが還流され、且つSCR触媒からアンモニアが流出している場合は、EGRガスが還流されていない場合、又はSCR触媒からアンモニアが流出していない場合に比べ、前記閾値を小さい値に補正するようにした。
以下、前記閾値を補正する手順について図3に沿って説明する。図3は、前記閾値を補正する際にECU10が実行する処理ルーチンを示すフローチャートである。この処理ルーチンは、予めECU10のROMに記憶されており、ECU10(CPU)によって周期的に実行されるルーチンである。
図3の処理ルーチンでは、ECU10は、先ずS101の処理において、添加弁8が尿素水溶液を噴射しているか否かを判別する。S101の処理において否定判定された場合は、アンモニアがEGRガスとともに内燃機関1へ吸入されないため、或いはSCR触媒に吸着されているアンモニアの一部が離脱してもEGRガスとともに内燃機関1へ吸入されるアンモニアが少量であるため、ECU10は、前記閾値を補正せずに本処理ルーチンの実行を終了する。一方、S101の処理において肯定判定された場合は、ECU10は、S102の処理へ進む。
S102の処理では、ECU10は、EGR装置9が作動中であるか否か、言い換えると、EGR装置9によって排気の一部が排気通路5から吸気通路2へ還流されているか否かを判別する。詳細には、ECU10は、EGR弁91の開度が零(全閉)であるときは否定判定し、EGR弁91の開度が零より大きいときは肯定判定する。S102の処理において否定判定された場合は、SCR触媒をすり抜けたアンモニアが内燃機関1に吸入されないため、閾値の値を補正する必要がない。よって、S102の処理において否定判定された場合は、ECU10は、本処理ルーチンの実行を終了する。
なお、S101の処理で否定判定された場合、及びS102の処理で否定された場合は、ECU10は、補正されない閾値を使用して、排気浄化装置の異常診断処理を実行する。
S102の処理において肯定判定された場合は、SCR触媒をすり抜けたアンモニアが内燃機関1に吸入される可能性がある。そのため、ECU10は、S103の処理へ進み、SCR触媒から流出するアンモニアの量(アンモニアのスリップ量)Anh3slpを演算する。ここで、アンモニアのスリップ量Anh3slpは、排気の流量と、SCR触媒の温度と、SCR触媒のアンモニア吸着量と、をパラメータとして演算される。
図4は、SCR触媒を通過する排気の流量が一定である場合における、SCR触媒に吸着されているアンモニアの量(吸着量)とSCR触媒の温度とSCR触媒から流出する排気のアンモニア濃度との関係を示す図である。図4において、SCR触媒から流出する排気のアンモニア濃度は、SCR触媒のアンモニア吸着量が多くなるほど濃くなり、且つSCR触媒の温度が高くなるほど濃くなる。よって、SCR触媒を通過する排気の流量が一定である場合は、アンモニアのスリップ量は、SCR触媒のアンモニア吸着量が多くなるほど、且つSCR触媒の温度が高くなるほど多くなると言える。
また、SCR触媒から流出する排気のアンモニア濃度が一定であれば、単位時間あたりにSCR触媒を通過する排気の流量が多くなるほど、単位時間あたりのスリップ量が多くなる。よって、アンモニアのスリップ量は、単位時間あたりにSCR触媒を通過する排気の流量が多くなるほど多くなる。
そこで、本実施例においては、図4に示したような関係に基づいて、SCR触媒から流出する排気のアンモニア濃度を求め、該アンモニア濃度に単位時間あたりの排気流量(単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総和)を乗算することにより、アンモニアのスリップ量Anh3slpを求める。
なお、アンモニアのスリップ量Anh3slpを求める際に使用されるアンモニア吸着量は、適宜の方法で推定される。たとえば、SCR触媒へ流入するアンモニアの量から、SCR触媒において消費されるアンモニアの量(NOXの還元に消費されるアンモニアの量)と、スリップ量と、を減算することにより、アンモニア吸着量が求められる。
SCR触媒において消費されるアンモニアの量は、NOX流入量とNOX浄化率とをパラメータとして演算される。その際のNOX流入量としては、上記したNOX流入量演算値が用いられる。また、NOX浄化率は、排気浄化装置の異常診断処理に用いられるNOX浄化率と同様の方法によって求められてもよいが、SCR触媒へ流入する排気の流量(単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総和)とSCR触媒の温度とをパラメータとして推定されてもよい。たとえば、アンモニア消費量の演算に用いられるNOX浄化率は、図5に示すような関係に基づいて推定されてもよい。図5は、排気の流量(単位時間あたりの吸入空気量と単位時間あたりの燃料噴射量との総和)と、SCR触媒の温度と、NOX浄化率との関係を示す図である。NOX浄化率は、排気流量が多くなるほど小さくなり、且つSCR触媒の温度が高くなるほど大きくなる(ただし、SCR触媒の温度が上限温度(たとえば、350℃)を超えると、SCR触媒の温度が高くなるほど小さくなる)傾向がある。よって、図5に示すような関係を規定したマップ又は関数を予め求めておき、そのマップ又は関数に基づいてNOX浄化率が求められてもよい。
上記したようなアンモニア吸着量の演算処理は、内燃機関1の始動後においてEGRガスの還流が開始される前から開始され、その後は所定の周期で繰り返し実行されるものとする。そして、スリップ量Anh3slpの演算に用いられるアンモニア吸着量としては、直前の演算処理で求められた値(前回値)が用いられるものとする。
S104の処理では、ECU10は、前記S103の処理で算出されたアンモニアのスリップ量Anh3slpをパラメータとして、EGRガスとともに還流されるアンモニアの量(還流量)Anh3egrを演算する。詳細には、ECU20は、アンモニアのスリップ量Anh3slpと、排気流量に対するEGRガス量の割合と、をパラメータとして、アンモニアの還流量Anh3egrを演算する。なお、排気流量に対するEGRガス量の割合は、EGR率とエアフローメータ11の出力信号(吸入空気量)と、をパラメータとして演算することができる。
S105の処理では、ECU20は、前記S104の処理で求められた還流量Anh3egrが上限量より大きいか否かを判別する。ここでいう「上限量」は、閾値を補正しなくても異常診断処理の精度を保つことができると考えられる最大の還流量(若しくは、該最大の還流量からマージンを減算した量)である。S105の処理において否定判定された場合は、ECU10は、閾値を補正せずに本処理ルーチンの実行を終了する。一方、S105の処理において肯定判定された場合は、ECU10は、S106の処理へ進む。
S106の処理では、ECU10は、閾値を補正する。その際、ECU10は、前記S105の処理で算出された還流量Anh3egrが多くなるほど、閾値を小さい値に補正する。ここで、NOX流入量演算値と実NOX流入量との差は、還流量Anh3egrが多くなるほど大きくなる。言い換えると、実NOX流入量に対するNOX流入量演算値の大きさは、還流量Anh3egrが多くなるほど小さくなる。それに伴い、前記式(1)に基づいて算出されるNOX浄化率の値も、還流量Anh3egrが多くなるほど小さくなる。よって、還流量Anh3egrが多くなるほど閾値が小さい値に補正されると、SCR触媒が正常であるにもかかわらず異常であると誤診断され難くなる。なお、閾値と還流量Anh3egrとの関係は、予め実験等を利用した適合処理によって求めておくものとする。上記したように、アンモニアの還流量Anh3egrは、EGRガスが多くなるほど(EGR率が高くなるほど)多くなる傾向がある。よって、アンモニアのスリップ量Anh3slpが所定量より多いときは、EGRガス量が多くなるほど、又はEGR率が高くなるほど、閾値が小さい値に補正されてもよい。ここでいう「所定量」は、閾値を補正しなくても異常診断処理の精度を保つことができると考えられる最大のスリップ量(若しくは、該最大のスリップ量からマージンを減算した量)である。
ところで、アンモニアの還流量に応じて閾値が小さくされると、SCR触媒が異常であるにもかかわらずNOX浄化率が閾値以上の値を示すことが懸念される。しかしながら、EGRガスが還流されている場合は還流されていない場合に比べ、大気中に排出されるNOXの量が少なくなる。すなわち、EGRガスが還流されているときは、SCR触媒から流出したNOXの一部がEGRガスとともに還流される。そのため、SCR触媒から流出したNOXのうち、大気中に排出されるNOXの量は、EGRガス量が多くなるほど少なくなる。
そこで、本実施例の異常診断装置は、アンモニアの還流量に応じて閾値が変更される場合において、大気中に排出されるNOXの量が法規等で定められた規制値と等しくなるときのNOX浄化率を閾値として定めるようにした。このような方法によって定められる閾値は、EGRガス量が多くなるほど(言い換えると、アンモニアの還流量が多くなるほど)小さい値になる。よって、SCR触媒が正常であるにもかかわらず該SCR触媒が異常であると誤診断されることに加え、SCR触媒が異常であるにもかかわらず該SCR触媒が正常であると誤診断されることも抑制することができる。
このようにECU10が図3の処理ルーチンを実行することにより、本発明に係わる補正手段が実現される。その結果、EGRガスとともに内燃機関1に吸入されるアンモニアの量が誤診断を招く程度に多い場合であっても、誤診断の発生が抑制され、SCR触媒の異常診断をより正確に行うことが可能になる。
また、SCR触媒の異常診断が正確に行われるようになると、尿素水溶液の異常診断処理もより正確に実行することができる。ここでいう「尿素水溶液の異常診断処理」とは、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が下限値を下回っているか否かを診断する処理である。尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が過剰に低くなると、SCR触媒へ供給されるアンモニアの量が過少になり、SCR触媒により浄化されないNOXの量が過剰に多くなる可能性がある。また、SCR触媒のNOX浄化率と目標値との差に基づいて、尿素水溶液の噴射量がフィードバック制御される場合は、尿素水溶液の噴射量が過剰に多くなり、尿素水溶液の消費量が過剰に多くなる可能性がある。
このような問題に対し、尿素水溶液の噴射量を目標量より増加させたときのNOX浄化率をパラメータとして、尿素水溶液の異常を診断する。たとえば、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が下限値以上であるときは、アンモニアのスリップ量が増加する。ここで、NOXセンサ12は、排気中のNOXに加え、アンモニアにも反応する特性を有する。そのため、アンモニアのスリップ量が増加した場合は、NOXセンサ12の出力信号が大きくなる。NOXセンサ12の出力信号が大きくなると、前記(1)の式によって求められるNOX浄化率Enoxが低下する。
一方、尿素水溶液に含まれる尿素の濃度が下限値未満であるときは、アンモニアのスリップ量が殆ど増加せず、SCR触媒のアンモニア吸着量が増加する。その結果、NOXセンサ12の出力信号は、変化せず、若しくは減少する。その結果、前記(1)の式によって求められるNOX浄化率Enoxが殆ど変化しないか、若しくは上昇する。
したがって、SCR触媒の異常診断処理において該SCR触媒が正常であると診断された場合に、尿素水溶液の異常診断処理が実行されれば、尿素水溶液の異常をより正確に診断することができる。
ところで、上記したような方法によって尿素水溶液の異常診断処理が実行されると、尿素水溶液が正常である場合に、SCR触媒から流出するアンモニアの量が増加するため、それに伴って比較的多量のアンモニアが大気中へ排出される可能性がある。そこで、本実施例の異常診断装置は、EGR装置9が非作動状態にあるときに尿素水溶液の異常診断処理を実行する場合はEGR装置9を作動(EGR弁91を開弁)させ、或いはEGR装置9が作動状態にあるときに尿素水溶液の異常診断処理を実行する場合はEGR率を増加させるようにした。このような方法によれば、大気中に排出されるアンモニアの量を少なく抑えつつ、尿素水溶液の異常診断処理を実行することができる。
なお、本実施例では、SCR触媒の故障診断に用いられるNOX流入量として、内燃機関1の運転状態を示すパラメータから演算されるNOX流入量演算値を用いる例について述べたが、第一触媒ケーシング6と第二触媒ケーシング7との間の排気通路5にNOXセンサを配置し、該NOXセンサの測定値(排気中のNOX濃度)から実NOX流入量を演算してもよい。このような構成において、大気中に排出されるNOXの量が法規等で定められた規制値と等しくなるときのNOX浄化率が閾値として定められると、実NOX流入量が多くなる状況下において、SCR触媒が正常であるにもかかわらず該SCR触媒が異常であると誤診断されること、及びSCR触媒が異常であるにもかかわらず該SCR触媒が正常であると誤診断されることを抑制することができる。
また、本実施例では、EGR通路90の基端(上流側端部)が第二触媒ケーシング7より下流の排気通路5に接続される例について述べたが、図6に示すようにEGR通路90の基端が添加弁8と第二触媒ケーシング7との間の排気通路5に接続されてもよい。その場合、アンモニアの還流量は、添加弁8から噴射される尿素水溶液の量と、排気の流量に対するEGRガス量の割合と、をパラメータとして演算されればよい。
1 内燃機関
2 吸気通路
3 ターボチャージャ
4 吸気絞り弁
5 排気通路
6 第一触媒ケーシング
7 第二触媒ケーシング
8 添加弁
9 EGR装置
10 ECU
11 エアフローメータ
12 NOXセンサ
30 コンプレッサ
31 タービン
90 EGR通路
91 EGR弁
92 EGRクーラ
2 吸気通路
3 ターボチャージャ
4 吸気絞り弁
5 排気通路
6 第一触媒ケーシング
7 第二触媒ケーシング
8 添加弁
9 EGR装置
10 ECU
11 エアフローメータ
12 NOXセンサ
30 コンプレッサ
31 タービン
90 EGR通路
91 EGR弁
92 EGRクーラ
S104の処理では、ECU10は、前記S103の処理で算出されたアンモニアのスリップ量Anh3slpをパラメータとして、EGRガスとともに還流されるアンモニアの量(還流量)Anh3egrを演算する。詳細には、ECU10は、アンモニアのスリップ量Anh3slpと、排気流量に対するEGRガス量の割合と、をパラメータとして、アンモニアの還流量Anh3egrを演算する。なお、排気流量に対するEGRガス量の割合は、EGR率とエアフローメータ11の出力信号(吸入空気量)と、をパラメータとして演算することができる。
S105の処理では、ECU10は、前記S104の処理で求められた還流量Anh3egrが上限量より大きいか否かを判別する。ここでいう「上限量」は、閾値を補正しなくても異常診断処理の精度を保つことができると考えられる最大の還流量(若しくは、該最大の還流量からマージンを減算した量)である。S105の処理において否定判定された場合は、ECU10は、閾値を補正せずに本処理ルーチンの実行を終了する。一方、S105の処理において肯定判定された場合は、ECU10は、S106の処理へ進む。
Claims (5)
- 内燃機関の排気通路に配置され、選択還元型触媒を含む排気浄化装置と、
前記排気浄化装置へアンモニア又はアンモニアの前駆体である添加剤を供給する供給装置と、
前記供給装置による添加剤の供給位置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるEGR装置と、
前記排気浄化装置へ流入するNOXの量であるNOX流入量を取得する取得手段と、
前記取得手段により取得されたNOX流入量をパラメータとして前記排気浄化装置のNOX浄化性能に相関する物理量を演算し、その演算結果が閾値より小さい場合に前記排気浄化装置が異常であると診断する診断手段と、
前記EGR装置によって排気の一部とともに添加剤が還流される場合は還流されない場合に比べ、前記閾値を小さい値に補正する補正手段と、
を備える排気浄化装置の異常診断装置。 - 請求項1において、前記取得手段は、内燃機関の運転状態を示すパラメータを利用してNOX流入量を演算する排気浄化装置の異常診断装置。
- 請求項1において、前記取得手段は、前記排気浄化装置より上流の排気通路に配置されたNOXセンサを利用してNOX流入量を取得する排気浄化装置の異常診断装置。
- 請求項2又は3において、前記補正手段は、前記EGR装置によって排気の一部とともに還流される添加剤の量が多いときは少ないときに比べ、前記閾値を小さい値に補正する排気浄化装置の異常診断装置。
- 請求項4において、前記EGR装置は、前記排気浄化装置より下流の排気通路から吸気通路へ排気の一部を還流させるものであり、
前記補正手段は、前記排気通路から大気中へ排出されるNOXの量が予め定められた目標値以下となる場合において前記物理量が取り得る最小の値を閾値に設定する排気浄化装置の異常診断装置。
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