JP5262640B2 - 内燃機関の排気浄化装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気浄化装置に関する。

選択還元型ＮＯx触媒（以下、ＮＯx触媒という。）よりも上流側から尿素水を噴射すると排気中で尿素がアンモニアとなり、該アンモニアがＮＯx触媒に吸着する。そして、Ｎ
Ｏx触媒よりも下流のアンモニア濃度の推定値と実測値とを比較し、この差が大きいとき
に該ＮＯx触媒が劣化していると判定する技術が知られている（例えば、特許文献１参照
。）。

しかしながら、ＮＯx触媒が劣化していなくても、該ＮＯx触媒よりも下流のアンモニア濃度は変化し得る。例えば、ＮＯx触媒よりも上流に備えた噴射弁から尿素水を噴射して
いる場合に、該噴射弁の詰まり等により噴霧に偏りが生じている場合や、尿素水を衝突させることにより広い範囲に分散させるための分散板に詰まりが生じている場合等である。このように尿素水又はアンモニアを供給する装置に異常がある場合には、ＮＯx触媒で尿
素水又はアンモニアが吸着していない箇所ができるため、ＮＯx触媒全体としてのＮＯx浄化率が低下する。
特開２００６−１２５３２３号公報 特許３７１４５５９号公報 特開２００５−３３４６８１号公報 特開２００８−１２８０６６号公報 特公昭６１−５０６４８号公報

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、内燃機関の排気浄化装置において、選択還元型ＮＯx触媒に尿素水又はアンモニアが均一に吸着していないこと
を検知する技術の提供を目的とする。

上記課題を達成するために本発明による内燃機関の排気浄化装置は、以下の手段を採用した。すなわち、本発明によ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尿素水又はアンモニアの供給によりＮＯxを浄化する選
択還元型ＮＯx触媒と、
前記選択還元型ＮＯx触媒よりも上流側から尿素水又はアンモニアを供給する供給手段
と、
前記選択還元型ＮＯx触媒の温度を検知する温度検知手段と、
前記選択還元型ＮＯx触媒からのアンモニアの脱着を検知するアンモニア検知手段と、
前記アンモニア検知手段により前記選択還元型ＮＯx触媒からのアンモニアの脱着が検
知されたときの前記温度検知手段により検知される前記選択還元型ＮＯx触媒の温度に基
づいて、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアの分散状態に異常があるか
否か判定する判定手段と、
を備えることを特徴とする。

「アンモニアの分散状態に異常がある」とは、例えばアンモニアが吸着している範囲が異常であること、または、ＮＯx触媒の所定箇所における単位体積あたりのアンモニアの
吸着量（アンモニア濃度としても良い）が異常であることをいう。アンモニアが吸着して
いる範囲が異常であるとは、アンモニアが吸着すべき箇所に吸着していないこと、又は吸着してはならない箇所に吸着することをいう。また、ＮＯx触媒の所定箇所における単位
体積あたりのアンモニアの吸着量が異常であるとは、所定箇所における単位体積あたりのアンモニアの吸着量が目標範囲外のとき若しくは許容範囲外のときをいう。例えば、ＮＯx触媒の所定箇所におけるアンモニア吸着量が過多だったり過少だったりする場合に、ア
ンモニアの分散状態に異常がある。また、アンモニアがＮＯx触媒に均一に吸着していな
いときに、または偏って吸着しているときにアンモニアの分散状態に異常がある。

一方、ＮＯx触媒全体に亘り単位体積あたりのアンモニア吸着量が目標範囲内のとき若
しくは許容範囲内のときに、アンモニアの分散状態に異常はないと判定される。または、ＮＯx触媒に均一にアンモニアが吸着しているとき、若しくはＮＯx触媒の所定の範囲に満遍なくアンモニアが吸着しているときに、アンモニアの分散状態に異常はないと判定しても良い。すなわち、判定手段は、選択還元型ＮＯx触媒の所定範囲（目標範囲）に所定量
（目標量）のアンモニアが吸着しているか否か判定することもできる。

ここで、ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアは、温度がある程度（例えば３００℃程
度）高くなると、該ＮＯx触媒から脱着する。この脱着の始まる温度を基準温度とする。
例えば内燃機関の高負荷運転時において、ＮＯx触媒の温度は基準温度以上となり得る。
ところで、ＮＯx触媒の温度が上昇するときには、中心軸付近から上昇を始めるため、該
中心軸付近の温度が最も高くなり、外周側ほど温度が低くなる。つまり、ＮＯx触媒にお
いて中心軸付近が最初に基準温度に到達し、その後、基準温度となる範囲が外周側へ広がっていく。そのため、ＮＯx触媒にアンモニアが均一に吸着している場合には、まず中心
軸付近のアンモニアが脱着し、その後、外周側へ向かってアンモニアが順次脱着していく。

ところで、ＮＯx触媒の温度を例えば下流に設けたセンサにより測定する場合には、Ｎ
Ｏx触媒の中心軸付近の温度のみを測定するのは困難であり、ＮＯx触媒全体の温度（平均温度）として測定することになる。この場合、ＮＯx触媒の中心軸付近の温度が基準温度
に達したときよりも、触媒の外周付近の温度が基準温度に達したときのほうが、触媒全体の温度は高い。

また、温度センサによりＮＯx触媒の一点の温度を推定する場合（例えば触媒中心の温
度を推定している場合）には、外周付近の温度が基準温度に達したときには、中心の温度は基準温度よりも高くなっている。このように、アンモニアの脱着が始まるときのＮＯx
触媒の代表温度は変化し得る。

ＮＯx触媒にアンモニアが均一に吸着している場合には、アンモニアの脱着が始まると
きのＮＯx触媒の代表温度はいつも同じになる。しかし、アンモニアが吸着している箇所
に偏りが生じると、このときのＮＯx触媒の代表温度は変わる。つまり、アンモニアの脱
着が始まる温度である基準温度は一定であるが、アンモニアがＮＯx触媒のどの箇所に吸
着しているかにより、アンモニアの脱着が始まるときのＮＯx触媒の代表温度は変化する
。

したがって、アンモニアの脱着が始まる代表温度が変化すれば、ＮＯx触媒にアンモニ
アが均一に吸着していないと判定することができる。

なお、本発明においては、前記選択還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を検知するＮＯx浄化率検知手段を備え、
前記判定手段は、ＮＯx浄化率が閾値以下の場合であって、前記アンモニアの脱着が始
まる温度が判定値以上の場合に、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されているアンモニア
の分散状態に異常があると判定することができる。

ＮＯx触媒にアンモニアが均一に吸着していないと、ＮＯxの浄化が困難となる箇所ができるため、ＮＯx浄化率が低下する。つまり、ＮＯx触媒にアンモニアが均一に吸着していないときのＮＯx浄化率の上限を閾値として設定しておけば、ＮＯx浄化率に基づいて、ＮＯx触媒にアンモニアが均一に吸着しているか否か判定し得る。しかし、ＮＯx触媒が劣化している場合であっても、ＮＯx浄化率は低下し得る。そこで、本発明では、ＮＯx触媒からアンモニアの脱着が始まる温度に基づいて、何れの状態であるのか判定している。つまり、アンモニアが吸着している箇所がＮＯx触媒の中心軸からずれるほど、アンモニア脱
着開始時のＮＯx触媒の温度は高くなる。一方、ＮＯx触媒が劣化してもアンモニア脱着開始時のＮＯx触媒の温度は変わらない。つまり、アンモニアが均一に吸着していないとき
のアンモニアの脱着が始まる温度の下限値を判定値として予め求めておけば、温度検知手段により検知される温度と判定値とを比較することで、アンモニアがＮＯx触媒に均一に
吸着しているか否か判定できる。この判定値には、ある程度の幅を持たせても良い。

本発明においては、前記判定手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されているアン
モニアの分散状態に異常がある場合には、前記供給手段に異常があると判定することができる。

供給手段には、尿素を噴射する噴射弁及び該噴射弁から噴射した尿素を衝突させることにより広い範囲に分散させる分散板が含まれる。つまり、尿素若しくはアンモニアを噴射する噴射弁、またはアンモニアを排気中に分散させる分散板等に異常があると、排気中のアンモニア濃度が不均一となるため、ＮＯx触媒にアンモニアが吸着する箇所に偏りを生
じる。つまり、アンモニアがＮＯx触媒に不均一に吸着することになる。そのため、選択
還元型ＮＯx触媒に吸着されているアンモニアの分散状態に異常がある場合には、前記供
給手段に異常があると判定することができる

そして、本発明においては、前記判定手段は、ＮＯx浄化率が閾値以下の場合であって
、前記アンモニアの脱着が始まる温度が判定値よりも低い場合には、前記選択還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定することができる。

つまり、アンモニアの脱着が始まるＮＯx触媒の温度は正常であるにもかかわらず、Ｎ
Ｏx浄化率が低いということは、アンモニアが均一に吸着しているにもかかわらず、ＮＯxが浄化できていないことになる。すなわち、ＮＯx触媒が劣化していると判定することが
できる。

また、本発明においては、前記判定手段は、ＮＯx浄化率が閾値よりも高い場合であっ
て、前記アンモニアの脱着が始まる温度が所定値以上の場合には、前記温度検知手段に異常が生じていると判定することができる。

アンモニアがＮＯx触媒に均一に吸着していない場合には、ＮＯx浄化率が低下する。つまり、ＮＯx浄化率が閾値よりも高い場合には、ＮＯx触媒にアンモニアが均一に吸着していると考えられる。一方、アンモニアの脱着が始まる温度が所定値以上の場合には、アンモニアがＮＯx触媒に均一に吸着していると考えられる。つまり、ＮＯx浄化率とアンモニアの脱着が始まる温度とに矛盾が生じる。このような場合には、ＮＯx触媒の温度が正確
に検知できていないと考えられる。すなわち、温度検知手段に異常が生じていると判定することができる。

本発明に係る内燃機関の排気浄化装置によれば、選択還元型ＮＯx触媒にアンモニアが
均一に吸着していないことを検知することができる。

以下、本発明に係る内燃機関の排気浄化装置の具体的な実施態様について図面に基づいて説明する。

図１は、本実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその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、４つの気筒を有する水冷式の４サイクル・ディーゼルエンジンである。

内燃機関１には、排気通路２が接続されている。この排気通路２の途中には、選択還元型ＮＯx触媒３（以下、触媒３という。）が備えられている。

また、触媒３よりも上流の排気通路２には、排気中に尿素水を噴射する噴射弁４が取り付けられている。噴射弁４は、後述するＥＣＵ１０からの信号により開弁して排気中へ尿素水を噴射する。

噴射弁４よりも下流には、尿素水を衝突させることにより該尿素水を広い範囲に分散させるための分散板５が設けられている。この分散板５は、噴射弁４から噴射される尿素水が直接到達する位置に設けられている。直接到達するとは、排気の流れに乗った後に到達するのではなく、噴射弁４から噴射されたときの勢いで到達することを意味する。この分散板５は、例えば排気の流れ方向に対して直角に設置される板であって、複数の穴を開けたものを用いることができる。また、金属網を採用しても良い。なお、本実施例においては噴射弁４及び分散板５が、本発明における供給手段に相当する。

噴射弁４から噴射された尿素水は、排気の熱で加水分解されアンモニア（ＮＨ_３）となり、触媒３に吸着する。このＮＨ_３がＮＯxを還元させる。なお、分散板５よりも下流で
且つ触媒３よりも上流に加水分解触媒を備えていても良い。

噴射弁４よりも上流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する第１ＮＯxセンサ６及び排気の温度を測定する第１温度センサ７が取り付けられている。また、触媒３よりも下流の排気通路２には、排気中のＮＯx濃度を測定する第２ＮＯxセンサ８及び排気の温度を測定する第２温度センサ９が取り付けられている。なお、第１ＮＯxセンサ６及び第
２ＮＯxセンサ８は、ＮＨ_３もＮＯxと同様に検知するため、排気中のＮＨ_３濃度が高い場合には、ＮＯx濃度が高いとして検知される。

以上述べたように構成された内燃機関１には、該内燃機関１を制御するための電子制御ユニットであるＥＣＵ１０が併設されている。このＥＣＵ１０は、内燃機関１の運転条件や運転者の要求に応じて内燃機関１の運転状態を制御するユニットである。

また、ＥＣＵ１０には、上記センサの他、運転者がアクセルペダル１１を踏み込んだ量に応じた電気信号を出力し機関負荷を検出可能なアクセル開度センサ１２、および機関回転数を検出するクランクポジションセンサ１３が電気配線を介して接続され、これら各種センサの出力信号がＥＣＵ１０に入力されるようになっている。

一方、ＥＣＵ１０には、噴射弁４が電気配線を介して接続されており、該ＥＣＵ１０により噴射弁４の開閉時期が制御される。

そして本実施例では、触媒３に均一にＮＨ_３が吸着されているか否か、該ＮＨ_３の脱着
開始温度に基づいて判定する。これは、噴射弁４または分散板５に異常がないか否か判定していることに等しい。

ここで、噴射弁４及び分散板５は、触媒３の中心軸を中心にして尿素水が分散するように設置されている。しかし、噴射弁４や分散板５が尿素やＰＭ等の固着により詰まると、尿素水の噴霧が排気通路２の中心軸を外れるため、触媒３の中心軸からずれたところを中心にしてＮＨ_３が吸着される。このような場合、触媒３の中心軸付近のＮＯx浄化率が低
下するため、触媒３の全体としてのＮＯx浄化率も低下する。

そして、ＮＨ_３が触媒３へ均一に吸着されずに偏りが生じると、触媒３からＮＨ_３の脱着が始まる見かけ上の温度が変化する。この見かけ上の温度とは、触媒３の代表温度であり、触媒３の所定の部位（例えば触媒３の中心、触媒３の前端面、または触媒３の後端面）の温度としても良く、触媒３よりも下流の温度としても良く、触媒３の全体の平均温度としても良い。この温度は、第２温度センサ９により得られる温度としても良く、第１温度センサ７により得られる排気の温度から推定される温度としても良い。なお、本実施例においては第１温度センサ７若しくは第２温度センサ９により得られる排気の温度から触媒３の温度を推定するＥＣＵ１０、又は第２温度センサ９そのものが、本発明における温度検知手段に相当する。

ここで、触媒３の温度は、該触媒３の中心軸から外周へ向かって順次上昇する。そのため、中心軸付近にあるＮＨ_３は早期に脱着するが、中心軸付近にＮＨ_３が吸着していなければ、より外周側の温度が上昇するまでＮＨ_３の脱着は始まらない。つまり、中心軸付近の温度や触媒３よりも下流の温度がより高くならなければ、ＮＨ_３は脱着しない。このようなことから、ＮＨ_３が吸着している部位により、ＮＨ_３の脱着が始まる見かけ上の温度が変わる。

ここで図２は、触媒３の温度と触媒３よりも下流のＮＨ_３の濃度との推移を示したタイムチャートである。ＮＨ_３の濃度における実線は正常時のものを示し、一点鎖線はＮＨ_３が不均一に吸着しているとき又は第１温度センサ７若しくは第２温度センサ９の故障時を示し、破線は触媒３の劣化時を示している。触媒３の温度は例えば触媒３の中心の温度または触媒３の下流側の温度である。この温度は、代表温度であり、第１温度センサ７若しくは第２温度センサ９により測定される排気の温度に基づいて得る。

ＮＨ_３が触媒３に不均一に吸着しているときは正常時よりも、ＮＨ_３の脱着が始まる見かけ上の温度が高いため、その分、ＮＨ_３の脱着が始まるまでに時間を要する。このときには、触媒３の中心軸付近でＮＯxの浄化が緩慢となるため、触媒３の全体としてＮＯx浄化率が低下する。

そこで本実施例では、触媒３のＮＯx浄化率が低下したときであって、触媒３からＮＨ
_３の脱着が始まる温度が判定値以上となった場合に、噴射弁４または分散板５に異常が発生していると判定する。

また、触媒３からＮＨ_３の脱着が始まる温度が判定値以上となった場合であっても、触媒３のＮＯx浄化率が低下していない場合には、触媒３の温度の測定値が誤りであると判
定する。つまり、触媒３のＮＯx浄化率が低下していない場合には、ＮＨ_３が均一に触媒
に吸着していると考えられるため、他の原因があると考えられる。ここで、触媒３が劣化している場合には、ＮＯx浄化率が低下する。そうすると、触媒３の温度を誤って測定し
ていると考えるのが妥当である。つまり、第１温度センサ７または第２温度センサ９により測定される温度が、実際の値とずれていると考えられる。このような場合には、測定される温度が全体的にずれる。

次に図３は、本実施例に係る異常判定フローを示したフローチャートである。本ルーチンは所定の時間毎にＥＣＵ１０により繰り返し実行される。

ステップＳ１０１では、触媒３からＮＨ_３の脱着が始まるときの代表温度（以下、脱着開始温度という。）を測定する。ここで、第２ＮＯxセンサ８は、ＮＯxの他にＮＨ_３も検知するため、触媒３からＮＨ_３が脱着すると第２ＮＯxセンサ８でＮＯx濃度として測定される値が上昇する。つまり、第１ＮＯxセンサ６で測定されるＮＯx濃度よりも第２ＮＯx
センサ８で測定されるＮＯx濃度が高くなったときに、触媒３からＮＨ_３の脱着が始まっ
ている。本実施例では第１ＮＯxセンサ６及び第２ＮＯxセンサ８を用いてＮＨ_３の脱着を検知するＥＣＵ１０が、本発明におけるアンモニア検知手段に相当する。

そして、触媒３の温度は、第２温度センサ９により得られる排気の温度と等しいものとする。

ステップＳ１０２では、触媒３のＮＯx浄化率を算出する。ＮＯx浄化率は以下の式により算出する。
ＮＯx浄化率＝（入ＮＯx−出ＮＯx）／入ＮＯx
ここで、入ＮＯxとは第１ＮＯxセンサ６により測定されるＮＯx濃度若しくは該ＮＯx濃度から算出されるＮＯx量であり、出ＮＯxとは第２ＮＯxセンサ８により測定されるＮＯx濃度もしくは該ＮＯx濃度から算出されるＮＯx量である。つまり、ＮＯx浄化率は触媒３
に流入するＮＯxが該触媒３で浄化される割合を示している。なお、本実施例ではステッ
プＳ１０２を処理するＥＣＵ１０が、本発明におけるＮＯx浄化率検知手段に相当する。

ステップＳ１０３では、触媒３におけるＮＯx浄化率が閾値以下であるか否か判定する
。閾値は、ＮＨ_３が触媒３に均一に吸着されていない場合のＮＯx浄化率の上限値として
予め実験等により求めておく。また、許容範囲外となるＮＯx浄化率の上限値として閾値
を設定しても良い。

ステップＳ１０３で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０４へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０７へ進む。

ステップＳ１０４では、脱着開始温度が判定値以上であるか否か判定する。本ステップでは、ＮＯx浄化率の低下が、ＮＨ_３の吸着状態によるものなのか、または触媒３の劣化
によるものなのか判定している。触媒３が劣化しても脱着開始温度自体は変わらない。一方、ＮＨ_３が触媒３に不均一に吸着すると、脱着開始温度が上昇する。ＮＨ_３が触媒３に不均一に吸着したときの脱着開始温度の下限値を判定値として設定しておけば、脱着開始温度に応じて、ＮＨ_３の吸着状態を判定可能である。この判定値は予め実験等により求めておく。

ステップＳ１０４で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０５へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０６へ進む。

ステップＳ１０５では、ＮＨ_３が触媒３に均一に吸着していないと判定する。つまり、アンモニアが均一に分散していないと判定される。この場合、噴射弁４又は分散板５に以上が生じているため、警告灯を点灯させたり、ブザーを鳴らしたりして運転者に警告しても良い。

ステップＳ１０６では、触媒３が劣化していると判定する。この場合にも、ステップＳ１０５と同様にして運転者に警告しても良い。

ステップＳ１０７では、脱着開始温度が所定値以上であるか否か判定する。本ステップでは、ＮＯx浄化率が正常であるにもかかわらず脱着開始温度が異常であるか否か判定す
る。つまり、第２温度センサ９が故障しているか否か判定する。第２温度センサ９が故障したときの脱着開始温度の下限値を所定値として設定しておけば、脱着開始温度に応じて第２温度センサ９が故障しているか否か判定可能である。この所定値は予め実験等により求めておく。

ステップＳ１０７で肯定判定がなされた場合にはステップＳ１０８へ進み、否定判定がなされた場合にはステップＳ１０９へ進む。

ステップＳ１０８では、第２温度センサ９が故障していると判定する。なお、第１温度センサ７により触媒３の温度を測定若しくは推定している場合には、第２温度センサ９が故障していると判定する。この場合にも、ステップＳ１０５と同様にして運転者に警告しても良い。なお、本実施例ではステップＳ１０３からステップＳ１０８までを処理するＥＣＵ１０が、本発明における判定手段に相当する。

ステップＳ１０９では、システムが正常であるとされる。

以上説明したように本実施例によれば、触媒３からＮＨ_３の脱着が始まる温度に基づいて、ＮＨ_３が触媒３に均一に吸着されているか、または触媒３が劣化しているか否か判定することができる。また、ＮＯx浄化率を考慮することにより、触媒３の温度が正確に測
定または推定できているか否か判定することもできる。

実施例に係る内燃機関の排気浄化装置を適用する内燃機関とその排気系の概略構成を示す図である。 触媒の温度と触媒よりも下流のＮＨ_３の濃度との推移を示したタイムチャートである。 実施例に係る異常判定フローを示したフローチャートである。

符号の説明

１ 内燃機関
２ 排気通路
３ 選択還元型ＮＯx触媒
４ 噴射弁
５ 分散板
６ 第１ＮＯxセンサ
７ 第１温度センサ
８ 第２ＮＯxセンサ
９ 第２温度センサ
１０ ＥＣＵ
１１ アクセルペダル
１２ アクセル開度センサ
１３ クランクポジションセンサ

Claims (5)

1. 内燃機関の排気通路に設けられ尿素水又はアンモニアの供給によりＮＯxを浄化する選
   択還元型ＮＯx触媒と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒よりも上流側から尿素水又はアンモニアを供給する供給手段
   と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒の温度を検知する温度検知手段と、
   前記選択還元型ＮＯx触媒からのアンモニアの脱着を検知するアンモニア検知手段と、
   前記アンモニア検知手段により前記選択還元型ＮＯx触媒からのアンモニアの脱着が検
   知されたときの前記温度検知手段により検知される前記選択還元型ＮＯx触媒の温度に基
   づいて、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着しているアンモニアの分散状態に異常があるか
   否か判定する判定手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関の排気浄化装置。
2. 前記選択還元型ＮＯx触媒におけるＮＯx浄化率を検知するＮＯx浄化率検知手段を備え
   、
   前記判定手段は、ＮＯx浄化率が閾値以下の場合であって、前記アンモニアの脱着が始
   まる温度が判定値以上の場合に、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されているアンモニア
   の分散状態に異常があると判定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。
3. 前記判定手段は、前記選択還元型ＮＯx触媒に吸着されているアンモニアの分散状態に
   異常がある場合には、前記供給手段に異常があると判定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。
4. 前記判定手段は、ＮＯx浄化率が閾値以下の場合であって、前記アンモニアの脱着が始
   まる温度が判定値よりも低い場合には、前記選択還元型ＮＯx触媒が劣化していると判定
   することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。
5. 前記判定手段は、ＮＯx浄化率が閾値よりも高い場合であって、前記アンモニアの脱着
   が始まる温度が所定値以上の場合には、前記温度検知手段に異常が生じていると判定することを特徴とする請求項２または３に記載の内燃機関の排気浄化装置。

Images