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JP4267534B2 - 排気浄化装置の異常検知方法 - Google Patents

排気浄化装置の異常検知方法 Download PDF

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Description

本発明は、排出ガス中のＮＯxを還元浄化する排気浄化装置についての異常検知方法に関するものである。
従来より、ディーゼルエンジンにおいては、排出ガスが流通する排気管の途中に、酸素共存下でも選択的にＮＯxを還元剤と反応させる性質を備えた選択還元型触媒を装備し、該選択還元型触媒の上流側に必要量の還元剤を添加して該還元剤を選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯx（窒素酸化物）と還元反応させ、これによりＮＯxの排出濃度を低減し得るようにしたものがある。
他方、プラントなどにおける工業的な排煙脱硝処理の分野では、還元剤にアンモニア（ＮＨ3）を用いてＮＯxを還元浄化する手法の有効性が既に広く知られているところであるが、自動車の場合には、アンモニアそのものを搭載して走行することに関し安全確保が困難であるため、近年においては、毒性のない尿素水を還元剤として使用することが研究されている（例えば、特許文献１）。
特開２００２−１６１７３２号公報
即ち、尿素水を選択還元型触媒の上流側で排出ガス中に添加すれば、約１７０〜１８０℃以上の温度条件下で前記尿素水がアンモニアと炭酸ガスに分解され、選択還元型触媒上で排出ガス中のＮＯxがアンモニアにより良好に還元浄化されることになる。
しかしながら、斯かる従来の排気浄化装置においては、システムに生じた異常を検知する手段を備えていなかったため、選択還元型触媒が長期間に亘り繰り返し高温条件下に晒されることによる劣化や、予期しない故障などによるセンサ類の異常に気づかないまま運転が継続されて目標のＮＯx低減率を達成できなくなる虞れがあった。
本発明は上述の実情に鑑みてなしたもので、ＮＯx浄化のシステムに生じた異常を確実に検知し得るようにすることを目的としている。
本発明は、排気管途中の選択還元型触媒に還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置の異常検知方法であって、運転期間中の触媒温度を監視して各温度帯ごとの積算時間を記録しておき、その各温度帯での積算時間に基づきＮＯx低減性能の劣化係数を各温度帯ごとに決定し、該各温度帯ごとに予め決められている基準ＮＯx低減率に前記劣化係数を温度帯別に乗算して前記基準ＮＯx低減率を更新し、この更新した基準ＮＯx低減率を次回の運転時に使用して実測のＮＯx低減率とその測定温度帯の基準ＮＯx低減率とを比較し、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲内に収まらない時に異常判定を下すことを特徴とするものである。
即ち、排気管途中に装備される選択還元型触媒は、長期間に亘り繰り返し高温条件下に晒されることで徐々に劣化してくるが、その劣化の度合は、どれ程の温度帯に何時間晒されたかにより異なるので、前述のように運転期間中の触媒温度を監視して各温度帯ごとの積算時間を記録しておき、その積算時間に基づき各温度帯ごとに決定したＮＯx低減性能の劣化係数を基準ＮＯx低減率に温度帯別に乗算して基準ＮＯx低減率を更新すれば、選択還元型触媒の経時的な劣化を考慮した基準ＮＯx低減率が各温度帯別に高い精度で推定されることになる。
而して、このようにして推定された基準ＮＯx低減率を次回の運転時に使用し、実測のＮＯx低減率とその測定温度帯の基準ＮＯx低減率とを比較するようにすれば、現時点で本来得られるはずの基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲内に収まる場合にシステムが正常に作動しているものと看做すことが可能であるので、収まらない場合にはシステムに何らかの異常が生じているものと判定することが可能となる。
また、本発明をより具体的に実施するに際しては、選択還元型触媒の入口と出口に配置したＮＯxセンサによりＮＯx低減率を計測し、このＮＯx低減率に前記各ＮＯxセンサの使用時間に応じた経時劣化係数を乗算して実測のＮＯx低減率を補正することが好ましく、このようにすれば、各ＮＯxセンサの使用時間に応じた経時劣化も考慮して、より正確な実測のＮＯx低減率を計測することが可能となり、異常判定の精度を更に高めることが可能となる。
更に、本発明においては、エンジンの運転状態から導き出したＨＣとＣＯの発生量に基づき被毒係数を決定し、この被毒係数を基準ＮＯx低減率に更に乗算して補正することが好ましく、このようにすれば、ＨＣとＣＯによる選択還元型触媒の被毒劣化も考慮して、より正確な基準ＮＯx低減率を算出することが可能となり、異常判定の精度を更に高めることが可能となる。
また、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲を下回っている時には、選択還元型触媒の劣化の進行が異常に進んでいるものと看做せるので、このような比較結果からは選択還元型触媒の異常劣化を判定することが可能であり、また、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲を上回っている時には、このような事態が通常有り得ないことからセンサ類に何らかの異常が生じているものと看做せるので、このような比較結果からはセンサ類の異常を判定することが可能である。
尚、毎回の運転により更新されていく基準ＮＯx低減率が所定値を下回った時には、選択還元型触媒の経時的な劣化が著しく進行してしまったものと看做せるので、選択還元型触媒の交換時期が近いことを判定することが可能である。
上記した本発明の排気浄化装置の異常検知方法によれば、下記の如き種々の優れた効果を奏し得る。
（Ｉ）本発明の請求項１に記載の発明によれば、選択還元型触媒の経時的な劣化を考慮した基準ＮＯx低減率を各温度帯別に高い精度で推定し、これを実測のＮＯx低減率と比較することでＮＯx浄化のシステムに生じた異常を確実に検知することができるので、選択還元型触媒の劣化やセンサ類の異常に気づかないまま運転が継続されてしまうことで目標のＮＯx低減率を達成できなくなるといった事態を未然に回避することができる。
（ＩＩ）本発明の請求項２に記載の発明によれば、各ＮＯxセンサの使用時間に応じた経時劣化も考慮して、より正確な実測のＮＯx低減率を計測することができ、異常判定の精度を更に高めることができる。
（ＩＩＩ）本発明の請求項３に記載の発明によれば、ＨＣとＣＯによる選択還元型触媒の被毒劣化も考慮して、より正確な基準ＮＯx低減率を算出することができ、異常判定の精度を更に高めることができる。
（ＩＶ）本発明の請求項４に記載の発明によれば、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲内に収まらない場合に、この偏差が所要範囲を下回っているか上回っているかに応じ、選択還元型触媒の異常劣化とセンサ類の異常とを区別して判定することができる。
（Ｖ）本発明の請求項５に記載の発明によれば、毎回の運転により更新されていく基準ＮＯx低減率が所定値を下回った時に選択還元型触媒の交換時期が近いことを判定することができ、これを運転者に確認させて早期の選択還元型触媒の交換を促すことができる。
以下本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。
図１及び図２は本発明を実施する形態の一例を示すもので、図１中における符号１はディーゼル機関であるエンジンを示し、ここに図示しているエンジン１では、ターボチャージャ２が備えられており、エアクリーナ３から導いた空気４が吸気管５を介し前記ターボチャージャ２のコンプレッサ２ａへと送られ、該コンプレッサ２ａで加圧された空気４が更にインタークーラ６へと送られて冷却され、該インタークーラ６から図示しないインテークマニホールドへと空気４が導かれてエンジン１の各シリンダに導入されるようにしてある。
また、このエンジン１の各シリンダから排出された排出ガス７がエキゾーストマニホールド８を介し前記ターボチャージャ２のタービン２ｂへと送られ、該タービン２ｂを駆動した排出ガス７が排気管９を介し車外へ排出されるようにしてある。
そして、排出ガス７が流通する排気管９の途中には、選択還元型触媒１０がケーシング１１により抱持されて装備されており、この選択還元型触媒１０は、図２に示す如きフロースルー方式のハニカム構造物として形成され、酸素共存下でも選択的にＮＯxをアンモニアと反応させ得るような性質を有している。
更に、ケーシング１１の上流側に噴射ノズル１２付き尿素水噴射弁１３が設置され、該尿素水噴射弁１３と所要場所に設けた尿素水タンク１４との間が尿素水供給ライン１５により接続されており、該尿素水供給ライン１５の途中に装備した供給ポンプ１６の駆動により尿素水タンク１４内の尿素水１７（還元剤）を尿素水噴射弁１３を介し選択還元型触媒１０の上流側に添加し得るようになっていて、これら尿素水噴射弁１３と尿素水タンク１４と尿素水供給ライン１５と供給ポンプ１６とにより尿素水添加手段１８（還元剤添加手段）が構成されている。
また、前記エンジン１には、その機関回転数を検出する回転センサ１９が装備されており、該回転センサ１９からの回転数信号１９ａと、アクセルセンサ２０（アクセルペダルの踏み込み角度を検出するセンサ）からの負荷信号２０ａとがエンジン制御コンピュータを成す（ＥＣＵ：Electronic Control Unit）制御装置２１に入力されるようになっている。
他方、この制御装置２１においては、回転センサ１９からの回転数信号１９ａと、アクセルセンサ２０からの負荷信号２０ａとから判断される現在の運転状態に基づきＮＯxの発生量が推定され、その推定されたＮＯxの発生量に見合う尿素水１７の添加量が算出されて必要量の尿素水１７の添加が実行されるようになっており、より具体的には、前記尿素水噴射弁１３に対し開弁指令信号１３ａが出力され、また、供給ポンプ１６に対しては駆動指令信号１６ａが出力されるようになっていて、前記尿素水噴射弁１３の開弁作動により尿素水１７の添加量が適切に制御され、その添加時に必要な噴射圧力が前記供給ポンプ１６の駆動により適宜に得られるようになっている。
更に、選択還元型触媒１０を抱持しているケーシング１１の入口側と出口側には、ＮＯx濃度を検出するＮＯxセンサ２２，２３と、排気温度を検出する温度センサ２４，２５とが夫々配設されており、これらの検出信号２２ａ，２３ａ及び検出信号２４ａ，２５ａも前記制御装置２１に入力されるようになっており、これらの検出信号２２ａ，２３ａ及び検出信号２４ａ，２５ａに基づいて、以下に詳述する如きＮＯx浄化のシステムの異常検知が制御装置２１内で実行されるようになっている。
即ち、この制御装置２１においては、温度センサ２４，２５からの検出信号２４ａ，２５ａに基づき選択還元型触媒１０の温度を推定し（可能であれば選択還元型触媒１０を直接検温しても良い）、運転期間中の触媒温度を監視して各温度帯（例えば１００℃から５０℃ずつ刻みの温度帯）ごとの積算時間をエンジン停止後に書換可能なメモリに記録するようになっている。
ここで、制御装置２１内には、触媒温度とその温度に晒された積算時間とを入力としたＮＯx低減性能の三次元マップが備えられており、各温度帯での積算時間に基づきＮＯx低減性能の劣化係数が各温度帯ごとにマップから読み出されて決定されるようになっており、該各温度帯ごとに予め決められている基準ＮＯx低減率に前記劣化係数を温度帯別に乗算して前記基準ＮＯx低減率を更新するようにしてある。
即ち、排気管９途中に装備される選択還元型触媒１０は、長期間に亘り繰り返し高温条件下に晒されることで徐々に劣化してくるが、その劣化の度合は、どれ程の温度帯に何時間晒されたかにより異なるので、前述のように運転期間中の触媒温度を監視して各温度帯ごとの積算時間を記録しておき、その積算時間に基づき各温度帯ごとに決定したＮＯx低減性能の劣化係数を基準ＮＯx低減率に温度帯別に乗算して基準ＮＯx低減率を更新すれば、選択還元型触媒１０の経時的な劣化を考慮した基準ＮＯx低減率が各温度帯別に高い精度で推定されることになる。
この際、回転センサ１９からの回転数信号１９ａと、アクセルセンサ２０からの負荷信号２０ａとから判断される現在の運転状態に基づきＨＣとＣＯの発生量を推定し、このＨＣとＣＯの発生量に基づきＨＣとＣＯによる選択還元型触媒１０の被毒係数をマップから読み出して決定し、この被毒係数を前記の基準ＮＯx低減率に更に乗算して補正することが好ましく、このようにすれば、ＨＣとＣＯによる選択還元型触媒１０の被毒劣化も考慮して、より正確な基準ＮＯx低減率を算出することが可能となる。
そして、このようにして更新された基準ＮＯx低減率は次回の運転時に使用されるようになっており、その次回の運転時にあっては、実測のＮＯx低減率とその測定温度帯の基準ＮＯx低減率とを比較され、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲（例えば±２．５％程度：ただし±１０％程度までは任意に調整可能）内に収まる時にＮＯx浄化のシステムが正常に作動しているものと判定される一方、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲を下回っている時に選択還元型触媒１０の異常劣化が判定され、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲を上回っている時にはＮＯxセンサ２２，２３や温度センサ２４，２５などのセンサ類の異常が判定されるようになっており、これらの判定結果が運転席の表示装置２６へ表示情報信号２６ａとして送られて表示されるようになっている。
ここで、この制御装置２１における判定は、ＮＯx低減率が得られ始める約２００℃から最高のＮＯx低減率が得られる触媒温度（例えば約３５０℃）の間で、しかも、その状態が定常と判定された時（例えば触媒温度の偏差が±５℃の間に約２０秒間ある時に定常と判定）に実施するようにしてある。
また、毎回の運転により更新されていく基準ＮＯx低減率が所定値を下回った時には、選択還元型触媒１０の経時的な劣化が著しく進行してしまったものと看做せるので、選択還元型触媒１０の交換時期が近いことが制御装置２１にて判定され、運転席の表示装置２６に交換時期の予報などが表示されるようにしてある。
尚、前述した実測のＮＯx低減率とは、各ＮＯxセンサ２２，２３により検出された選択還元型触媒１０の入口側と出口側でのＮＯx濃度の比較から割り出されるものであるが、各ＮＯxセンサ２２，２３自体も高温条件下に晒されることで経時的に劣化して出力値が徐々に低下してくるため、前記の割り出されたＮＯx低減率に対し、前記各ＮＯxセンサ２２，２３の使用時間（制御装置２１内のタイマ機能でカウント）に応じた経時劣化係数をマップから読み出して乗算し、これにより実測のＮＯx低減率を各ＮＯxセンサ２２，２３の経時劣化を考慮した値に補正しておくと更に良い。
而して、このような制御装置２１によりＮＯx浄化のシステムの異常検知を行うと、運転期間中の触媒温度が温度センサ２４，２５の検出信号２４ａ，２５ａに基づき制御装置２１で監視されて各温度帯ごとの積算時間が記録され、その積算時間に基づき各温度帯ごとに決定したＮＯx低減性能の劣化係数が基準ＮＯx低減率に温度帯別に乗算されて基準ＮＯx低減率が更新されるので、選択還元型触媒１０の経時的な劣化を考慮した基準ＮＯx低減率が各温度帯別に高い精度で推定されることになる。
そして、このようにして推定された基準ＮＯx低減率は次回の運転時に使用されることになり、その次回の運転時にあっては、ＮＯxセンサ２２，２３の検出信号２２ａ，２３ａに基づく実測のＮＯx低減率とその測定温度帯の基準ＮＯx低減率とが比較され、現時点で本来得られるはずの基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲内に収まる場合にシステムが正常に作動しているものと判定されるが、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲を下回っている時には、選択還元型触媒１０の異常劣化が判定され、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲を上回っている時には、ＮＯxセンサ２２，２３や温度センサ２４，２５などのセンサ類の異常が判定され、これらの判定結果が運転席の表示装置２６に表示されることになる。
従って、上記形態例によれば、選択還元型触媒１０の経時的な劣化を考慮した基準ＮＯx低減率を各温度帯別に高い精度で推定し、これを実測のＮＯx低減率と比較することでＮＯx浄化のシステムに生じた異常を確実に検知することができ、しかも、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲内に収まらない場合に、この偏差が所要範囲を下回っているか上回っているかに応じ、選択還元型触媒１０の異常劣化とセンサ類の異常とを区別して判定することができるので、選択還元型触媒１０の劣化やセンサ類の異常に気づかないまま運転が継続されてしまうことで目標のＮＯx低減率を達成できなくなるといった事態を未然に回避することができる。
また、特に本形態例においては、選択還元型触媒１０の入口と出口に配置したＮＯxセンサ２２，２３によりＮＯx低減率を計測し、このＮＯx低減率に前記各ＮＯxセンサ２２，２３の使用時間に応じた経時劣化係数を乗算して実測のＮＯx低減率を補正するようにしており、更には、エンジン１の運転状態から導き出したＨＣとＣＯの発生量に基づき被毒係数を決定し、この被毒係数を基準ＮＯx低減率に更に乗算して補正するようにもしているので、各ＮＯxセンサ２２，２３の使用時間に応じた経時劣化や、ＨＣとＣＯによる選択還元型触媒１０の被毒劣化も考慮して、より正確な実測のＮＯx低減率を計測することができ、異常判定の精度を更に高めることができる。
更に、毎回の運転により更新されていく基準ＮＯx低減率が所定値を下回った時に、選択還元型触媒１０の交換時期が近いことが制御装置２１にて判定され、運転席の表示装置２６に交換時期の予報などが表示されるようにしてあるので、これを運転者に確認させて早期の選択還元型触媒１０の交換を促すことができる。
尚、本発明の排気浄化装置の異常検知方法は、上述の形態例にのみ限定されるものではなく、選択還元型触媒に添加される還元剤には、軽油等の尿素水以外のものを採用しても良いこと、その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
本発明を実施する形態の一例を示す概略図である。 図１の選択還元型触媒を部分的に切り欠いて示す斜視図である。
符号の説明
１ エンジン
９ 排気管
１０ 選択還元型触媒
１７ 尿素水（還元剤）
１８ 尿素水添加手段
１９ 回転センサ
１９ａ 回転数信号
２０ アクセルセンサ
２０ａ 負荷信号
２１ 制御装置
２２ ＮＯxセンサ
２２ａ 検出信号
２３ ＮＯxセンサ
２３ａ 検出信号
２４ 温度センサ
２４ａ 検出信号
２５ 温度センサ
２５ａ 検出信号

Claims (5)

  1. 排気管途中の選択還元型触媒に還元剤を添加してＮＯxを還元浄化するようにした排気浄化装置の異常検知方法であって、運転期間中の触媒温度を監視して各温度帯ごとの積算時間を記録しておき、その各温度帯での積算時間に基づきＮＯx低減性能の劣化係数を各温度帯ごとに決定し、該各温度帯ごとに予め決められている基準ＮＯx低減率に前記劣化係数を温度帯別に乗算して前記基準ＮＯx低減率を更新し、この更新した基準ＮＯx低減率を次回の運転時に使用して実測のＮＯx低減率とその測定温度帯の基準ＮＯx低減率とを比較し、基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲内に収まらない時に異常判定を下すことを特徴とする排気浄化装置の異常検知方法。
  2. 選択還元型触媒の入口と出口に配置したＮＯxセンサによりＮＯx低減率を計測し、このＮＯx低減率に前記各ＮＯxセンサの使用時間に応じた経時劣化係数を乗算して実測のＮＯx低減率を補正することを特徴とする請求項１に記載の排気浄化装置の異常検知方法。
  3. エンジンの運転状態から導き出したＨＣとＣＯの発生量に基づき被毒係数を決定し、この被毒係数を基準ＮＯx低減率に更に乗算して補正することを特徴とする請求項１又は２に記載の排気浄化装置の異常検知方法。
  4. 基準ＮＯx低減率に対する実測のＮＯx低減率の偏差が所要範囲を下回っている時に選択還元型触媒の異常劣化を判定し且つ上回っている時にはセンサ類の異常を判定することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の排気浄化装置の異常検知方法。
  5. 基準ＮＯx低減率が所定値を下回った時に選択還元型触媒の交換時期が近いことを判定することを特徴とする請求項１、２、３又は４に記載の排気浄化装置の異常検知方法。
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